Geowissenschaften : Edelgas aus der Tiefe

Die Zusammensetzung der Erdatmosphäre stellt Forscher vor ein Rätsel. Im Vergleich zum Edelgas Argon enthält die Lufthülle unseres Planeten viel zu wenig Xenon.

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Eine neue Erklärung für die „Xenon-Lücke“ präsentieren Wissenschaftler der Universität Bayreuth jetzt in der Online-Ausgabe des Fachjournals „Nature“. Demnach hat die junge Erde große Mengen Argon im Inneren gespeichert und später wieder abgegeben. Xenon hingegen wurde kaum aufgenommen und verschwand zu großen Teilen mit der frühen Atmosphäre. In der heutigen Lufthülle ist es daher kaum noch zu finden, schreiben Svyatoslav Shcheka und Hans Keppler vom Bayerischen Geoinstitut.

Neben der Erde hat auch die Atmosphäre des Mars eine Xenon-Lücke. Das zeigen Vergleiche mit Chondriten – einer bestimmten Sorte von Meteoriten, die ähnlich zusammengesetzt sind wie das Material, aus dem sich vor 4,5 Milliarden Jahren die Gesteinsplaneten des Sonnensystems bildeten. Die Chondriten, gewissermaßen Botschafter aus der Frühzeit der Planeten, haben viel höhere Xenongehalte als Erde und Mars heute.

Es gibt einige Erklärungsversuche für den oberirdischen Xenonmangel. So soll das Gas in großer Menge in der Erdkruste oder gar im Erdkern enthalten sein. Belege dafür fehlen aber. Die Bayreuther Forscher vermuten, dass die Lösung für das Problem im unteren Erdmantel liegt.

Dieses tiefe Stockwerk enthält etwa 80 Prozent Perowskit, ein Mineral, das vor allem aus Magnesium, Silizium und Sauerstoff besteht. Shcheka und Keppler untersuchten, welche Mengen an Edelgasen in Perowskit eingebaut werden können. Sie nutzten dafür eine 5000-Tonnen-Presse, die einen Druck wie in 700 Kilometern Tiefe erzeugen und die Proben zudem auf über 1600 Grad Celsius erhitzen kann, um die Bedingungen der tiefen Erde realistisch nachzuahmen.

Die Versuche zeigten, dass Perowskit mehr als ein Gewichtsprozent Argon aufnehmen kann, während der Anteil von Xenon um ein Vielfaches kleiner ist. Auf den ersten Blick scheint ein Prozent eine vernachlässigbar kleine Menge zu sein. Zieht man aber in Betracht, dass der untere Erdmantel mehr als die Hälfte der Gesamtmasse des Planeten ausmacht, kann „das bisschen Argon“ zusammengenommen ein gewaltiges Reservoir bilden.

So argumentieren auch Shcheka und Keppler: In ihrer Frühphase war die Erde so heiß, dass sie wahrscheinlich komplett geschmolzen war. Zudem war sie von einer primitiven Atmosphäre umgeben. Mit der Zeit kristallisierten aus dem Magmaozean große Mengen Perowskit, die auch Argon aufnahmen und im unteren Erdmantel fixierten – Xenon aber kaum. Zur gleichen Zeit verlor die junge Erde einen Großteil ihrer Atmosphäre aufgrund hoher Oberflächentemperatur, intensiver UV-Strahlung und häufiger Meteoriteneinschläge.

Als sich die Lage langsam beruhigt hatte, bildete sich eine neue Atmosphäre. Zeitgleich transportierten gewaltige Strömungen im Erdmantel Material aus großer Tiefe nahe an die Oberfläche. Über Entgasungen gelangte viel Argon zurück in die Lufthülle, während der Rückfluss an Xenon vergleichsweise schwach war. Diese Diskrepanz ist bis heute erhalten geblieben. Und zwar auf der Erde wie auf dem Mars, der offenbar eine ähnliche Geschichte durchlebt hat.

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