Neue Theorie könnte Kohlenstoffgehalt des Erdmantels erklären

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In der Kruste und im Mantel der Erde gibt es heute mehr Kohlenstoff, als chemische Vorgänge der frühen Bildungsphase der Erde dies theoretisch zulassen. Kohlenstoff ist ein siderophiles, also eisenliebendes, Element. Währen der Bildung des eisenhaltigen Kerns hätte das heute lebenswichtige Element also in den Kern wandern müssen. Das ist aber nicht geschehen, da der Erdmantel heute noch etwa 115 ppm Kohlenstoffanteile besitzt. Dieser Kohlenstoff dürfte gar nicht mehr existieren. Und selbst wenn es durch irgendeinen Mechanismus nicht zu einer Differentiation zum Kern hin gab, hätte der vorhandene Kohlenstoff verdampfen müssen. Kohlenstoff hat eine Siedetemperatur von 4.827 °C. Wie kann sich heute noch so viel Kohlenstoff im Mantel und im Kern aufhalten?




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Geowissenschaftler der Rice University schlagen in einer jetzt veröffentlichten Studie in der Nature Geoscience vor, dass der Kohlenstoff erst nach der Differenzierung des Erdkerns auf die Erde gelangt ist. Und zwar durch eine Kollision mit einem schon differenzierten Protoplaneten. Er hatte in etwa die Größe von Merkur und kollidierte vor 4,4 Milliarden Jahren mit der noch jungen Erde.

Rajdeep Dasgupta (Photo by Jeff Fitlow/Rice University)
Rajdeep Dasgupta (Photo by Jeff Fitlow/Rice University)

„Die Herausforderung ist, den Ursprung dieser flüchtigen Elemente, wie beispielsweise Kohlenstoff, schlüssig zu klären, die außerhalb des Kerns im Mantelteil unseres Planeten verblieben sind“, stellt Dasgupta, Co-Author der Studie, fest.

Sein Laboratorium hat sich auf Hochdruck- und Hochtemperatursimulationen spezialisiert, die tief im Erdinneren sowie anderen Gesteinsplaneten vorkommen. Sein Team drückt Felsen in hydraulischen Pressen, die Bedingungen schaffen, die beispielsweise an den Kern-Mantelgrenzen kleinere Planeten – wie Merkur – simulieren können.

„Schon vor dieser Studie hatten wir mehrere andere Studien veröffentlicht, die gezeigt haben, dass, selbst wenn Kohlenstoff nicht in den Raum verdampft ist, als der Planet größtenteils geschmolzen war, es trotzdem im metallischen Kern unseres Planeten enden müsste, da die eisenreiche Legierung dort eine starke Sympathie für Kohlenstoff hat“, so Dasgupta.

Der Kern der Erde, der größtenteils aus Eisen besteht, macht ungefähr ein Drittel der Masse des Planeten aus. Der silikatische Mantel ist für die anderen zwei Drittel verantwortlich und ist mehr als 2.900 km dick. Die Kruste und die Atmosphäre der Erde sind so dünn, dass sie für weniger als 1 Prozent der Masse des Planeten verantwortlich sind. Der Mantel, die Atmosphäre und die Kruste tauschen ständig Elemente aus. Einer dieser Kreisläufe ist der für das Leben notwendige Kohlenstoffkreislauf. Wenn also der anfängliche Kohlenstoff heute entweder im Kern oder verdampft ist, wo kommt dann der heutige lebenswichtige Kohlenstoff der Biosphäre her?

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Yuan Li (Photo courtesy of Kyusei Tsuno)
Yuan Li (Photo courtesy of Kyusei Tsuno)

„Eine populäre Idee hat darin bestanden, dass flüchtige Elemente wie Kohlenstoff, Schwefel, Stickstoff und Wasserstoff hinzugefügt wurden, nachdem der Kern der Erde gebildet wurde“, sagt Li, Wissenschaftler am Institut für Geochemie Guangzhou (Chinesische Akademie der Wissenschaften). „Einige jener Elemente, die durch Meteor- und Kometeneinschlägen, ungefähr 100 Millionen Jahre nach der Bildung des Sonnensystems, auf die Erde eingeschlagen sind, könnten der intensiven Hitze des Magmaozeans entkommen sein, der die Erde bis zu diesem Zeitpunkt bedeckt hat.“

„Das Problem dieser Theorie besteht darin, dass sie durchaus erklären kann, wie dieser Überfluss an Elementen entstanden sein könnte, allerdings gibt es keine bekannten Meteorgesteine, die das richtige Verhältnis von flüchtigen Elementen zum silikatischen Teil unseres Planeten erzeugen würde“.

Ein Protoplanet von fünf bis 30 Prozent der Erdmasse und kohlenstoffhaltigm Mantel hätte gereicht, um der Erde ihre heutige Kohlenstoffverteilung zu geben. (Bildquelle: Rajdeep Dasgupta)
Ein Protoplanet von fünf bis 30 Prozent der Erdmasse und kohlenstoffhaltigm Mantel hätte gereicht, um der Erde ihre heutige Kohlenstoffverteilung zu geben. (Bildquelle: Rajdeep Dasgupta)

Ende 2013 hat das Team unter Leitung Dasguptas dann begonnen, an unkonventionellere Möglichkeiten zu denken, das Problem der volatilen Zusammensetzung und der Kernzusammensetzung zu lösen und haben sich vor allem auf das Element Schwefel konzentriert.

Die Ergebnisse zeigen, dass Kohlenstoff bei der Schichtbildung eines Himmelskörpers durchaus außen vor bleiben kann. Dafür allerdings muss die Eisenlegierung im Kern entweder reich an Silizium oder Schwefel sein – und das war bei der jungen Erde beides nicht der Fall.

Kollision vor 4,4 Milliarden Jahren
Kollision vor 4,4 Milliarden Jahren

Allerdings gibt es ein Szenario, das den Kohlenstoff des Mantels und den Aufbau des Kerns der heutigen Erde erklären würde:

Vor 4,4 Milliarden Jahren kurz nach der Bildung der Erde, kollidierte ein Protoplanet mit ihr zusammen. Der Protoplanet hatte etwa die Größe des Merkur und konnte durch Differenzierung bereits einen siliziumreichen Kern gebildet haben. Als die zwei Körper zusammenstießen, war die Erde noch nicht komplett erstarrt und der Planet konnte direkt in das Erdinnere eindringen und dort mit dem Erdkern verschmelzen. Die kohlenstoffreiche Hülle verschmolz mit dem Erdmantel und reicherte sie dadurch mit Kohlenstoff an. Diese frühe Kollision könnte schlüssig erklären, warum der Erdmantel heute mehr Kohlenstoff und andere leichtflüchtige Elemente enthält, als er eigentlich dürfte.


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Pia Gaupels

Pia Gaupels, 30, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. Sie hat die Facebook-Seite GeoHorizon gegründet. Zudem hat sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung.