Warum die Erdatmosphäre viel Sauerstoff enthält

Lange Zeit war es rätselhaft, weshalb die Erdatmosphäre seit rund zwei Milliarden Jahren viel mehr Sauerstoff enthält als die Atmosphäre anderer bekannter Planeten. Forscher am Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth haben jetzt durch Hochdruck-Experimente eine bislang unbewiesene Vermutung erhärtet:

Hohe Drücke in Magmaozeanen lösten in der frühen Erdgeschichte Prozesse aus, die bewirkten, dass der obere Erdmantel in einen stark oxidierten Zustand geriet. Dies führte in der Folgezeit dazu, dass sauerstoffhaltige Verbindungen wie Kohlendioxid und Wasser aus dem Erdmantel in die Atmosphäre entwichen. In „Science“ stellen die Wissenschaftler ihre Forschungsergebnisse vor.

Schon seit längerer Zeit weiß man, dass während der Entstehung der Erde viele kleinere Himmelskörper – sogenannte Planetenembryos und Planetoide – auf ihrer Oberfläche einschlugen. Dabei wurden enorme Energien freigesetzt, die große Gesteinsmengen schmelzen ließen. Es entstanden im Erdmantel heiße Magmaozeane, die in eine Tiefe von bis zu 2.500 Kilometer reichten und oxidiertes Eisen Fe²⁺ („ferrous iron“) enthielten.

Die Bayreuther Wissenschaftler haben nun in Hochdruck-Experimenten die Drücke simuliert, die auf das Fe²⁺ in den Magmaozeanen eingewirkt haben. Dafür wurden in den Laboratorien des BGI Drücke von mehr als 20 Gigapascal erzeugt. „Dies entspricht dem Druck, der entstünde, wenn man die gesamte Masse des Eiffelturms auf einem Gegenstand platzieren würde, der so groß wie ein Golfball ist“, sagt Katherine Armstrong, die Erstautorin der Studie, die an der Universität Bayreuth promoviert hat und heute an der University of California Davis arbeitet.

In zahlreichen Versuchsreihen wurde Fe²⁺-haltiges Gestein äußerst hohen Drücken in diesem Größenbereich ausgesetzt. Wie sich herausstellte, bleibt Fe²⁺ unter diesen Verhältnissen nicht stabil: Statt Fe²⁺ enthielten die Gesteinsproben am Ende der Versuche einerseits einen geringen Anteil von nicht-oxidiertem Eisen Fe⁰ („metallic iron“) und andererseits einen großen Anteil des stärker oxidierten Eisens Fe³⁺ („ferric iron“). Wenn der Druck am höchsten war, handelte es sich bei 96 Prozent des in den Proben enthaltenen Eisens um Fe³⁺.

Diese Ergebnisse erhärten nun erstmals auf experimentellem Weg die Hypothese, dass sich in der frühen Erdgeschichte größere Mengen von Fe³⁺ gebildet haben, die nach der Abkühlung der Erde im oberen Mantel verblieben sind. Hingegen sank das in den Magmaozeanen entstandene nicht-oxidierte Eisen infolge seines großen Gewichts schon bald in den Erdkern hinab.

Infolgedessen geriet der obere Erdmantel in einen relativ stark oxidierten Zustand. Es entstanden in relativ großer Nähe zur Erdoberfläche physikalisch-chemische Verhältnisse, die im Verlauf der folgenden Milliarden Jahre bewirkten, dass anstelle von Methan und Wasserstoff große Mengen an sauerstoffhaltigen Verbindungen – insbesondere Kohlendioxid und Wasser – freigesetzt und in die Erdatmosphäre entlassen wurden.

„Wir wollen in unserer neuen Studie nicht behaupten, dass der im Vergleich mit anderen Planeten hohe Sauerstoffgehalt der Erdatmosphäre allein durch hochdruckbedingte Veränderungen von Eisen zustande gekommen ist. Aber eines scheint jetzt klar zu sein: Diese Prozesse haben einen wesentlichen Anteil daran, dass die Erde bis heute von einer sauerstoffreichen Atmosphäre umgeben ist“, sagt Dr. Catherine McCammon vom Bayerischen Geoinstitut, die an den Forschungsarbeiten mitgewirkt hat.

PD Dr. Catherine McCammon
Bayerisches Geoinstitut (BGI)
Universität Bayreuth
Tel.: +49 (0)921 55-3709
E-Mail: Catherine.McCammon@uni-bayreuth.de

Katherine Armstrong, Daniel J. Frost, Catherine A. McCammon, David C. Rubie, Tiziana Boffa Ballaran: Deep magma ocean formation set the oxidation state of Earth’s mantle. Science (2019), Vol. 365, Issue 6456, 903-906.
DOI: http://dx.doi.org/10.1126/science.aax8376