Auf die richtige Menge Kohlenstoff kommt es an

Das Element Kohlenstoff und seine Verbindungen bilden die Grundlage für irdisches Leben. Kurzzeitige Aufheizprozesse im solaren Urnebel vor der Entstehung der Planeten haben in unserem Sonnensystem dafür gesorgt, dass die Erde eine für das Leben und die Evolution wahrscheinlich optimale Zufuhr an Kohlenstoff erhielt. Das zeigt ein von Wissenschaftlern der Universität Heidelberg entwickeltes Modell zur Kohlenstoffchemie.

Die Forschungen von Prof. Dr. Hans-Peter Gail vom Zentrum für Astronomie und Prof. Dr. Mario Trieloff vom Klaus-Tschira-Labor für Kosmochemie am Institut für Geowissenschaften wurden jetzt in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

„Kohlenstoff ist auf der Erde ein eher selten vorkommendes Element. Zwar ist der Stoff nahe der Erdoberfläche in angereicherter Form vorhanden, bezogen auf den gesamten Stoffbestand der Erde beträgt sein Anteil allerdings nur etwa ein halbes Promille. In primitiven Kometen dagegen kann der Kohlenstoff-Anteil zehn Prozent und mehr ausmachen“, erläutert Prof. Trieloff.

Wie der Geochemiker weiter ausführt, stammen Kometen aus den kühlen Bereichen des äußeren Sonnensystems, wo flüchtiges Wasser und Kohlenstoff-Verbindungen zu Eis kondensierten. Forscher gehen mittlerweile davon aus, dass die junge Erde diese flüchtigen Elemente durch Einschläge von Asteroiden und Kometen nach ihrer Entstehung erhalten hat. Dennoch ist es ein Rätsel, warum die Kohlenstoff-Menge auf der Erde so gering ist.

„Ein beträchtlicher Anteil des Kohlenstoffs in Asteroiden und Kometen liegt in langkettigen und verzweigten Molekülen vor, die sich erst bei sehr hohen Temperaturen verflüchtigen. Modelliert man mit Standardmodellen die Reaktionen von Kohlenstoff im solaren Urnebel, aus dem die Sonne und die Planeten entstanden, so müssten die Erde und auch andere terrestrische Planeten bis zu 100-mal mehr Kohlenstoff haben“, betont Prof. Gail.

Die Heidelberger Wissenschaftler gehen davon aus, dass kurzzeitige Aufheizereignisse für den „Verlust“ von Kohlenstoff verantwortlich waren. Sie vermuten, dass in den inneren Bereichen unseres Sonnensystems die gesamte Materie teilweise mehrfach auf Temperaturen zwischen 1.300 und 1.800 Grad Celsius aufgeheizt wurde, bevor sich Kleinplaneten und schließlich die terrestrischen Planeten und die Erde bildeten.

Einen Beleg dafür sehen die Forscher in Kügelchen, sogenannten Chondren, die in Meteoriten eingelagert sind und bei denen es sich um Aufschmelzprodukte dieser Ereignisse handelt. „Nur die Berücksichtigung solcher Temperaturspitzen, wie sie aus Chondren-Entstehungsmodellen abgeleitet werden, kann die heutige geringe Kohlenstoffmenge der inneren Planeten erklären. Dieser Prozess wurde in den bisherigen Modellen nicht berücksichtigt, ihm verdanken wir aber offensichtlich die richtige Menge an Kohlenstoff, die die Evolution der Biosphäre auf der Erde in der uns bekannten Weise ermöglichte“, so Hans-Peter Gail.

Eine „Überdosis“ an Kohlenstoff wäre wahrscheinlich schädlich für die Evolution des Lebens gewesen, vermuten die Wissenschaftler. In seiner oxidierten Form bildet Kohlenstoff das Treibhausgas CO2. Dieses wird auf der Erde aus der Atmosphäre entfernt, insbesondere durch den Silikat-Karbonat-Zyklus, der wie ein Thermostat wirkt.

„Ob 100-mal mehr Kohlenstoff noch ein effektives Entfernen des Treibhausgases erlauben würde, scheint zumindest fraglich. Der Kohlenstoff könnte dann wohl nicht mehr in Karbonaten, den heutigen CO2-Hauptspeichern der Erde, untergebracht werden, sondern würde als CO2 in der Atmosphäre einen so starken und irreversiblen Treibhauseffekt verursachen, dass die Ozeane verdampfen und verloren gehen würden“, sagt Mario Trieloff.

Originalpublikation:
H.-P. Gail, M. Trieloff: Spatial distribution of carbon dust in the early solar nebula and the carbon content of planetesimals. Astronomy & Astrophysics (published 28 September 2017), doi 10.1051/0004-6361/201730480

Bilderläuterung:
Das Foto zeigt eine Scheibe des Allende-Meteoriten mit millimetergroßen Gesteinskügelchen. Diese sogenannten Chondren sind durch intensive, kurzzeitige Aufheizprozesse im solaren Urnebel entstanden. Chondritische Meteorite gelten als Urmaterial der Planeten in unserem Sonnensystem. Bestimmte Chondritklassen enthalten bis zu einige Prozent Kohlenstoff in der dunklen Gesteinsmatrix, nicht jedoch in den Chondren, in denen der Kohlenstoff durch Aufheizprozesse verlorenging. Die Entstehung der Erde aus chondritischem Gesteinsmaterial im inneren Sonnensystem kann ihren relativ niedrigen Kohlenstoffgehalt erklären.

Kontakt:
Prof. Dr. Mario Trieloff
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