Kohlenstoff ist essentiell für das Leben, wie wir es kennen und spielt eine entscheidende Rolle bei vielen geologischen Prozessen auf unserem Planeten – ganz zu schweigen von den Auswirkungen, die der durch menschliche Aktivitäten freigesetzte Kohlenstoff auf die Atmosphäre und die Ozeane des Planeten hat. Trotzdem bleibt die Gesamtmenge des Kohlenstoffs auf der Erde ein Rätsel, da ein Großteil davon in den Tiefen des Planeten unerreichbar bleibt.
Eine neue Publikation, die diese Woche in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, zeigt, wie sich Kohlenstoff während der stürmischen Entstehungszeit der Erde verhalten hat. Die Ergebnisse können den Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie viel Kohlenstoff wahrscheinlich im Planetenkern vorhanden ist und welchen Beitrag er zu der chemischen und dynamischen Aktivität leisten könnte, die dort stattfindet – einschließlich der konvektiven Bewegung, die das Magnetfeld antreibt, das die Erde vor kosmischer Strahlung schützt.
Der Erdkern besteht hauptsächlich aus Eisen und Nickel, aber seine Dichte weist auf das Vorhandensein anderer leichterer Elemente wie Kohlenstoff, Silizium, Sauerstoff, Schwefel oder Wasserstoff hin. Es wird seit langem vermutet, dass sich dort unten ein enormes Kohlenstoffreservoir verbirgt. Um es quantifizieren zu können, nutzte das Forschungsteam die Laborimitation, um zu verstehen, wie der Kohlenstoff überhaupt in den Kern gelangt ist.
Die Gruppe setzte sich zusammen aus Rebecca Fischer von der Harvard University, Elizabeth Cottrell und Marion Le Voyer von der Smithsonian Institution, Kanani Lee von der Yale University und Erik Hauri, dessen Andenken von den Autoren gewürdigt wird.
“Um den heutigen Kohlenstoffgehalt der Erde zu verstehen, gingen wir zurück in die Kindheit unseres Planeten, als dieser sich aus dem die junge Sonne umgebenden Material anreicherte und sich schließlich in chemisch unterschiedliche Schichten – Kern, Mantel und Kruste – aufspaltete”, sagte Fischer. “Wir wollten feststellen, wie viel Kohlenstoff während dieser Prozesse in den Kern gelangt ist”.
Dies wurde durch Laborexperimente erreicht. Dabei wurde die Kompatibilität des Kohlenstoffs mit den Silikaten, aus denen der Mantel besteht, mit seiner Kompatibilität mit dem Eisen, aus dem der Kern besteht, verglichen, und zwar unter den extremen Drücken und Temperaturen, die während seiner Entstehungszeit tief im Inneren der Erde herrschten.
“Wir stellten fest, dass mehr Kohlenstoff im Erdmantel verblieben wäre, als wir zuvor vermutet hatten”, erklärte Cottrell. “Das bedeutet, dass der Kern erhebliche Mengen anderer leichterer Elemente wie Silizium oder Sauerstoff enthalten muss, die beide bei hohen Temperaturen stärker vom Eisen angezogen werden.
Trotz dieser überraschenden Entdeckung ist es wahrscheinlich, dass der größte Teil des gesamten Kohlenstoffvorrats der Erde im Kern existiert. Aber er macht immer noch nur eine vernachlässigbare Komponente der Gesamtzusammensetzung des Kerns aus.
“Insgesamt verbessert diese wichtige Arbeit unser Verständnis darüber, wie der Kohlenstoff der Erde während des planetarischen Entstehungsprozesses akkumuliert und in Mantel und Kern gebunden wurde, als diese sich chemisch differenzierten”, schloss Richard Carlson, Direktor des Earth and Planets Laboratory in Carnegie, wo Hauri arbeitete.
“Ich wünschte nur, Erik wäre noch bei uns, um die diese Woche veröffentlichten Ergebnisse zu sehen”.
Veröffentlichung: Rebecca A. Fischer et al, The carbon content of Earth and its core, Proceedings of the National Academy of Sciences (2020). DOI: 10.1073/pnas.1919930117
Quelle: off. Pm der Carnegie Institution for Science
Titelbildunterschrift: Die Experimente des Teams verglichen die Verträglichkeit von Kohlenstoff mit den Silikaten, die den Erdmantel bilden (äußerer Kreis), mit seiner Verträglichkeit mit dem Eisen, das den Planetenkern bildet (innerer Kreis), und zwar unter Bedingungen, die das Erdinnere während der Entstehungszeit der Erde imitieren. Sie stellten fest, dass mehr Kohlenstoff im Erdmantel verblieben ist, als bisher angenommen.
Pia Gaupels
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