Die meisten der lebenswichtigen Elemente der Erde – einschließlich des größten Teils des Kohlenstoffs und des Stickstoffs in dir – stammen wahrscheinlich von einem anderen Planeten. Die Erde erhielt höchstwahrscheinlich den Großteil ihres Kohlenstoffs, Stickstoffs und anderer lebenswichtiger flüchtiger Elemente aus der Planetenkollision, die den Mond vor mehr als 4,4 Milliarden Jahren hervorbrachte, wie aus einer neuen Studie von Petrologen der Rice University in der Zeitschrift Science Advances hervorgeht.
“Aus der Erforschung primitiver Meteoriten wissen Wissenschaftler seit langem, dass die Erde und andere Gesteinsplaneten im inneren Sonnensystem volatil verarmt sind”, sagte Studienko-Autor Rajdeep Dasgupta. “Aber der Zeitpunkt und der Mechanismus der volatilen Versorgung wurde heftig diskutiert. Unser Szenario ist das erste, das den Zeitpunkt und die Lieferung in einer Weise erklären kann, das mit allen geochemischen Beweisen übereinstimmt.”
Die Beweise wurden aus einer Kombination von Hochtemperatur- und Hochdruckexperimenten im Labor von Dasgupta zusammengetragen, das sich auf das Studium geochemischer Reaktionen spezialisiert hat, die tief in einem Planeten unter extremer Hitze und Druck ablaufen.
In einer Reihe von Experimenten sammelte der Studienleiter und Doktorand Damanveer Grewal Beweise, um eine langjährige Theorie zu überprüfen, wonach die flüchtigen Bestandteile der Erde aus einer Kollision mit einem embryonalen Planeten stammen, der einen schwefelreichen Kern hatte.
Der Schwefelgehalt des Kerns des Spenderplaneten ist aufgrund der rätselhaften Reihe von experimentellen Beweisen über den Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel, die in allen Teilen der Erde außer dem Kern vorhanden sind, von Bedeutung.
“Der Kern interagiert nicht mit dem Rest der Erde. Aber alles darüber, der Mantel, die Kruste, die Hydrosphäre und die Atmosphäre sind durch Stoffkreisläufe miteinander verbunden”, sagte Grewal.
Eine langjährige Idee über die Art und Weise, wie die Erde ihre flüchtigen Bestandteile aufgenommen hat, war die Theorie des “late veneer”, die besagt, dass volatilreiche Meteoriten, übrig gebliebene Brocken ursprünglicher Materie aus dem äußeren Sonnensystem, nach der Bildung des Erdkerns auf dem Planeten einschlugen. Und während die Isotopensignaturen der flüchtigen Stoffe der Erde mit diesen primordialen Objekten, den so genannten kohlenstoffhaltigen Chondriten, übereinstimmen, ist das elementare Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff nicht mehr gegeben. Das Nicht-Kernmaterial der Erde, das von Geologen als Massensilikat Erde bezeichnet wird, weist etwa 40 Teile Kohlenstoff pro Teil Stickstoff auf, etwa doppelt so viel wie das Verhältnis 20:1 bei kohlenstoffhaltigen Chondriten.
Grewal’s Experimente, die die hohen Drücke und Temperaturen während der Kernbildung simulierten, testeten die Idee, ob ein schwefelreicher Planetenkern Kohlenstoff oder Stickstoff oder beides ausgrenzen kann und viel größere Anteile dieser Elemente im Hauptsilikat zurücklassen könnte, als die Erde es tat. In einer Reihe von Tests bei verschiedenen Temperaturen und Drücken untersuchte Grewal in drei Szenarien, wie viel Kohlenstoff und Stickstoff in den Kern gelangt ist: kein Schwefel, 10 Prozent Schwefel und 25 Prozent Schwefel.
“Stickstoff war weitgehend unbeeinflusst”, sagte er. “Es blieb in den Legierungen gegenüber Silikaten löslich und wurde erst bei der höchsten Schwefelkonzentration aus dem Kern ausgeschlossen.”
Kohlenstoff war dagegen in Legierungen mit mittleren Schwefelkonzentrationen deutlich weniger löslich und schwefelreiche Legierungen nahmen etwa 10 mal weniger Kohlenstoff auf als schwefelfreie Legierungen.
Anhand dieser Informationen und der bekannten Verhältnisse und Konzentrationen von Elementen sowohl auf der Erde als auch in außerirdischen Körpern entwarf Dasgupta, Grewal und der Postdoktorand der Rice Chenguang Sun eine Computersimulation, um das wahrscheinlichste Szenario zu identifizieren, das die Volatilen der Erde hervorbrachte. Die Antwort darauf zu finden, bestand darin, die Startbedingungen zu variieren, etwa 1 Milliarde Szenarien durchzuführen und sie mit den heute bekannten Bedingungen im Sonnensystem zu vergleichen.
“Was wir fanden, ist, dass alle Beweise – isotopische Signaturen, das Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis und die Gesamtmenge an Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel in der Massensilikaterde – mit einem mondbildenden Aufprall übereinstimmen, der einen volatilreichen, Mars-großen Planeten mit einem schwefelreichen Kern beinhaltet”, sagte Grewal.
Dasgupta, der Hauptforscher der von der NASA finanzierten Studie CLEVER Planets, die erforscht, wie lebenswichtige Elemente auf fernen felsigen Planeten zusammenkommen könnten, sagte, dass ein besseres Verständnis des Ursprungs der lebenswichtigen Elemente der Erde Auswirkungen über unser Sonnensystem hinaus hat.
“Diese Studie deutet darauf hin, dass ein felsiger, erdähnlicher Planet mehr Chancen hat, lebenswichtige Elemente zu erhalten, wenn er sich aus riesigen Zusammenstößen mit Planeten bildet, die verschiedene Bausteine entnommen haben, vielleicht aus verschiedenen Teilen einer protoplanetarischen Scheibe”, sagte Dasgupta.
“Das beseitigt einige Randbedingungen”, sagte er. “Es zeigt, dass lebenswichtige Volatile in die oberflächlichen Schichten eines Planeten gelangen können, auch wenn sie auf planetaren Körpern produziert wurden, die unter sehr unterschiedlichen Bedingungen Kernbildungen durchlaufen haben.”
Dasgupta sagte, dass es nicht den Anschein hat, dass das Massensilikat der Erde allein die lebenswichtigen volatilen Mengen erreicht haben könnte, die unsere Biosphäre, Atmosphäre und Hydrosphäre hervorgebracht haben.
“Das bedeutet, dass wir unsere Suche nach Wegen erweitern können, die dazu führen, dass flüchtige Bestandteile auf einem Planeten zusammenkommen, um das Leben, wie wir es kennen, zu ermöglichen.”
Veröffentlichung: Damanveer S. Grewal, Rajdeep Dasgupta, Chenguang Sun, Kyusei Tsuno and Gelu Costin. Delivery of carbon, nitrogen, and sulfur to the silicate Earth by a giant impact. Science Advances, 23 Jan 2019 DOI: 10.1126/sciadv.aau3669
Quelle: off. Pm der Rice University
Titelbildunterschrift: Petrologen der Rice University haben festgestellt, dass die Erde höchstwahrscheinlich den Großteil ihres Kohlenstoffs, Stickstoffs und anderer lebenswichtiger flüchtiger Elemente aus der Planetenkollision erhalten hat, die den Mond vor mehr als 4,4 Milliarden Jahren geschaffen hat. (Bild mit freundlicher Genehmigung der Rice University)
Pia Gaupels
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