Die Bauklötze der Erde: Zertrümmert, zermatscht und aufgeschmolzen (und es passt trotzdem nicht so richtig)

So, die Sommer/Herbstpause ist vorüber. Thema von diesem Eintrag: Aus was ist eigentlich die Erde entstanden? Was sind die Bauklötze? Bekanntlich entstand die Erde (wie die anderen Planeten) in der Gas-und Staubscheibe des frühen Sonnensystems, vor knapp 4.5 Milliarden Jahren. Nur haben sich die Planeten nicht auf einen Schlag aus dem Staub und Gas gebildet. das Ganze fand in mehreren Zwischenschritten statt (schöne Zusammenfassung von Birnstiel et al. hier für lau auf ArXiv.)

Zuerst also der Staub – kleine, silikatreiche Partikel, bestenfalls wenige µm groß. Diese bildeten erst mal große Aggregate, der erste Schritt der Akkretion. Bereits in dieser Phase wurde das Material bereits verändert – siehe Entstehung der Kalzium-Aluminium-reichen Einschlüsse (CAIs) und der Chondren. Was genau die Staubbällchen schmelzen lies, ist immer noch Gegenstand heftiger Debatten (und ganzer wissenschaftlicher Laufbahnen). Dieser Mix aus ursprünglichem (pristinem) Material und verarbeiteten Material ballte sich dann weiter zusammen, irgendwann waren Körper entstanden, die man guten Gewissens als ‚Protoplaneten‘ oder Planetesimale bezeichnen konnte. Die Umgebungsbedingungen in der Protoplanetaren Scheibe (oder Circumstellar Disk) waren noch relativ flauschig – der große Gasgehalt (bis zu 10-3 bar, das ist immerhin so viel wie die Marsatmosphäre) ‚dämpfte‘ einiges ab. Nachdem sich aber der Großteil des Gases verflüchtigte, ging es ruppiger zur Sache, in der Trümmerscheibe, der Debris Disk. Dort rauschten dann die Planetesimale ineinander, zerlegten sich dabei und akkretierten dann zu noch größeren Körpern. Und auch die Planetesimale änderten sich – durch Hitze aus kurzlebigen isotopensystemes, sowie Impaktwärme schmolzen viele teilweise oder ganz auf, kühlten wieder ab und bildeten dabei eine Struktur typisch für einen Planeten: Eisenreicher Kern, mit silikatreichem Mantel und Kruste drumherum. All das bildete immer größere Körper, bis am Schluss eben die 8 Planeten übrig waren (die Sieger in einem Blutbad interplanetaren Ausmaßes). Da eben diese Körper auch komplett aufschmolzen und ausdifferenzierten, ist nichts vom Ausgangsmaterial übrig geblieben, nur noch chemische und isotopische Signaturen.

Wenn man also herausfinden wollte, aus welchen Bestandteilen sich unsere Erde (und eigentlich auch die anderen, beprobten Körper) entstand, müsste man möglichst viel Ausgangsmaterial durchmessen, und dann ordentlich Mischungsrechnungen durchziehen. Am Ende sollte dann das Kochrezept der Erde herauskommen. Gesagt, getan. Erst mal zum potentiellen Ausgangsmaterial. Das ist das, was den oben beschriebenen Mahlstrom überstanden hat. Das sind zum einen die Meteorite, die von Asteroiden stammen. Diese sind so was wie Trümmer, die von dem ganzen Gemetzel unakkretiert übrig blieben. Was gibt es dann noch? Kometen –  da haben wir inzwischen auch eine gute Idee über die Zusammensetzung (eigentlich sehr chondritisch, was den Mineralanteil betrifft).

Es fehlt die Zusammensetzung der Erde. Sollte einfach sein, wir wuseln ja überall auf der Kugel herum. Ist es aber nicht. Richtig gelesen, die Meinungen über die Gesamtzusammensetzung der Erde (Bulk) gehen auseinander. Kernproblem ist, dass wir halt nur die Kruste wirklich gut beprobt haben. Von weiter unten, dem Mantel haben wir zwar auch Material, aber halt deutlich weniger. Und das beschreibt im Wesentlichen den ‚Primitive Upper mantle‘ (PUM), also den oberen Teil des Erdmantels.  Man kommt eben nicht direkt hin, sondern muss nehmen, was von alleine nach oben kommt. Das sind Xenolithe, Gesteinseinschlüsse in Magmen. Oder Mineraleinschlüsse in Diamanten. Und ob das repräsentativ ist, weiß man nicht. Ganz zu schweigen vom Kern –  da hat man natürlich geophysikalische Daten. Da sich aber unter den extremen Hochdruckbedingungen diverse Elemente etwas anderst verhalten, kann es sein, das da zusätzlich zum Eisen und Nickel noch einiges im Kern steckt, von dem man nur eine grobe Idee hat (zum Beispiel Silizium).  Also ein Echo auf die Situation mit den Meteoriten. Und das ist der Idealfall, von den anderen Körpern haben wir eine viel, viel schlechtere Beprobung. Es gibt Versuche, über Modellrechnungen ein besseres Bild zu bekommen – z.B. hier Dauphas et al. (auch hier für lau auf ArXiv) –  aber es sind halt Annäherungen. Eine Möglichkeit, die Unterscheide wegzuerklären, wäre ein ‚Hidden Reservoir‘, will meinen, das irgendwo tiefer unten die Zusammensetzung der Erde doch noch deutlich anderst ist, um das alles in der Balance auszugleichen. Aber auch damit gibt es Probleme.

Von hier an sollte es eigentlich einfach sein. Meteorite wurden nun sicherlich ordentlichst durchanalysiert, chemisch, isotopisch, mit dem jeweils modernsten analytischen Fuhrpark. Es gibt viele Studien, wo ein Element durchgemessen wird und wenn es passt, dieses als Beweis für ein Ausgangsmaterial hinhalten muss. Nur gibt es halt viele Elemente und Isotopensysteme, entscheidend ist natürlich, dass eben alle Elemente und Isotopensysteme hinkommen müssen. Und das ist nicht gerade Trivial.

Man könnte ja einfach mal die Gesamtzusammensetzung des Sonnensystems hernehmen. Das wären z.B. die CI-Chondrite, auf denen die Solare Zusammensetzung basiert, nimmt man einfach alle Chondrite hätte man das ursprüngliche, primitive Material des Sonnensystems abgedeckt. Wäre ja ziemlich einfach. Ein Versuch von Burbine und O’Brien mit der Sauerstoff-Isotopie und der Chemie der typischen Chondrite hier. Ergebnis von 225 Millionen Kombinationen: Für die Erde kommt nichts hin, beim Mars klappen Mixturen die vor allem von den gewöhnlichen Chondriten dominiert werden. Würde ja prima passen dann. Auch ein weiteres schönes Beispiel für solche Modellierungen hier von Rubie et al. für lau auf ArXiv.

Am anderen Ende der Skala sind dann die simplem, Ein-Meteorit-Modelle. Da gibt es ein speziell französisches Steckenpferd, das die kleine Gruppe der Enstatit-Chondrite zum Ur-Bauklotz der Erde erklärt. Immerhin, die fundamental wichtige Sauerstoff-Isotopie würde hinkommen. Trotzdem hat sich das aber nicht so durchgesetzt, und der führende Verfechter der Enstatit-Hypothese regierte angemessen angefressen auf das fröhliche Zerlegen seines Models: hier ein wunderbar wutschäumender Abstrakt (NEin!Doch!Ooohhh!).

Dann gibt es noch ein weiteres Problem: die Bulkchemie kann sich ja noch nachträglich geändert haben – Stichwort Impakte und Kollisionen, bei denen wieder Material (Kruste und Teile des Mantels) verloren geht. Ein solches Szenario könnte sogar die Enstatit-Hypothese unterstützen, siehe Boujibar et al. Cosmochemical fractionation by collisional erosion during the Earth’s accretion.

Eine andere Möglichkeit, ist das etwas später noch nachgeliefert wird, der Late Veneer. Im gerade veröffentlichten Late veneer and late accretion to the terrestrial planet von Brass et al. (auch hier für lau in ArXiv) wurde das Planetenwachstum im frühen Sonnensystem gerade unter dem Blickwinkel der hoch-siderophilen Elemente (HSE) modelliert. Das sind die Elemente, die sich geo/kosmochemisch ähnlich dem Eisen verhalten, also im Wesentlichen im Erdkern stecken sollen. Sollten. Nur hat zumindest der obere Erdmantel eine leichte, aber signifikante Anreicherung an den HSE. Und das muss in den Wachstumsmodellen irgendwie erklärt werden. Erklärung: es war wohl ein singuläres Ereignis, das in der Form nicht mal im ganzen Sonnensystem stattfand. Und so deutet das Modell dann auch eine deutlich niedrigerer Impaktrate während der ersten halben Milliarde Jahre auf der Erde (im Hadaikum) auf – was laut den Autoren bessere Bedingungen für eine deutlich frühere Entstehung von Leben bedeuten würde.

Und dann halt eine weitere Möglichkeit – nämlich die, dass unsere Sammlungen noch etwas unvollständig sind. Meine Lieblingshypothese, weil dann würde noch einiges an interessantem Material da draußen herumfliegen. Es bleibt also spannend.

Mein Interesse an Planetologie und Raumforschung begann schon recht früh. Entweder mit der Apollo/Sojus Mission 1975. Spätestens aber mit dem Start der Voyager-Sonden 1977, ich erinnere mich noch wie ich mir mein Leben in der fernen Zukunft des Jahres 1989 vorzustellen versuchte, wenn eine der Sonden an Neptun vorbeifliegen würde. Studiert habe ich dann Mineralogie in Tübingen (gibt es nicht mehr als eigenständiges Studienfach). Anstatt meinen Kommilitonen in die gängigen Richtungen wie Keramikforschung zu folgen, nahm ich meinen Mut zusammen und organisierte eine Diplomarbeit über Isotopenanalysen von Impaktgestein aus dem Nördlinger Ries Einschlagkrater. Dem folgte dann eine Doktorarbeit über primitive Meteorite in Münster. Nach 10 Jahren als PostDoc in verschiedenen Ecken der Welt arbeite wieder am Institut für Planetologie in Münster, an Labormessungen für die ESA/JAXA Raumsonde BepiColombo, die demnächst zum Merkur aufbrechen wird. Mein ganzes Arbeitsleben drehte sich bisher um die Untersuchung extraterrestrischer (und damit verwandter) Materialien: Gesteine aus Impaktkratern, die ganze Bandbreite Meteoriten (von den ganz primitiven Chondriten bis hin zu Marsmeteoriten). Zu meiner Forschung gehören auch Laborexperimente, in denen Vorgänge im frühen Sonnensystem nachgestellt wurden. Mein besonderes Interesse ist, die Laboruntersuchungen von extraterrestrischem Material mit Fernerkundungsdaten (im Infrarot) zu verknüpfen. Das vor allem mit Daten aus der planetaren Fernerkundung durch Raumsonden, aber auch mit Beobachtungen junger Sonnensysteme durch Teleskope.

4 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Könnte es sein, daß bei: „– der große Gasgehalt (bis zu 10-3 bar, das ist immerhin so viel wie die Marsatmosphäre) “ nicht bar sondern mbar gemeint sind, das würde dann auch besser zu den ca. 0,006 bar der Marsatmosphäre passen?

  2. Mir scheint, die Frage, aus welchen Bausteinen die Erde sich formte, ist grundsätzlich nicht beantwortbar. Sie ist heute, aber auch morgen nicht beantwortbar, weil nichts von diesen Bausteinen in ihrer ursprünglichen Form erhalten geblieben ist. Die jetzt im Sonnensystem verbliebenen Kometen und Asteroiden sind wohl keine grosse Hilfe bei der Beantwortung dieser Frage, denn sie müssen nicht repräsentativ für das frühe Sonnensystem und insbesondere für den Raumbereich sein, in dem sich die inneren Planeten gebildet haben.

    Dagegen gibt es Chancen dafür, dass irgendwann die chemische Zusammensetzung oder mindestens der Anteil der Elemente in verschiedenen Tiefen der Erde aufgeklärt werden kann. Vielleicht würde hier eine Transmissionstomographie der Erde mit Neutrinos hilfreich sein. Die USA sind momentan stark im Bereich Neutrinoforschung aktiv. Mit Neutrinofabriken könnte man hochenergetische Neutrinos erzeugen und durch die Erde schicken. Die Daten, die man dabei erhält könnten dann mithelfen den Aufbau der Erde zu klären.

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