Verzögerungen für die Sauerstoffatmosphäre der Erde

Blick auf die Erde. Bildnachweis: NASA Zum Vergrößern anklicken
Eine Reihe von Hypothesen wurde verwendet, um zu erklären, wie sich vor etwa 2,4 Milliarden Jahren erstmals freier Sauerstoff in der Erdatmosphäre angesammelt hat. Ein umfassendes Verständnis hat sich jedoch als schwer fassbar erwiesen. Jetzt bietet ein neues Modell plausible Szenarien dafür, wie Sauerstoff die Atmosphäre dominierte und warum es mindestens 300 Millionen Jahre dauerte, bis die bakterielle Photosynthese begann, Sauerstoff in großen Mengen zu produzieren.

Der Hauptgrund für die lange Verzögerung war, dass Prozesse wie die Produktion von Vulkangas als Senken fungierten, um freien Sauerstoff zu verbrauchen, bevor er ein Niveau erreichte, das hoch genug war, um die Atmosphäre zu übernehmen, sagte Mark Claire, Doktorand der Universität Washington in Astronomie und Astrobiologie. Freier Sauerstoff würde sich mit Gasen in einer Vulkanfahne verbinden, um neue Verbindungen zu bilden, und dieser Prozess erwies sich als bedeutende Sauerstoffsenke, sagte er.

Ein weiteres Waschbecken war Eisen, das durch Beschuss aus dem Weltraum an die äußere Erdkruste abgegeben wurde. Freier Sauerstoff wurde verbraucht, als er das Metall oxidierte oder rostete.

Aber Claire sagte, dass nur das Ändern des Modells, um den unterschiedlichen Eisengehalt in der äußeren Kruste widerzuspiegeln, einen großen Unterschied darin macht, wann das Modell freien Sauerstoff zeigt, der die Atmosphäre füllt. Eine Verfünffachung des tatsächlichen Eisengehalts hätte die Sauerstoffversorgung um mehr als 1 Milliarde Jahre verzögert, während eine Reduzierung des Eisengehalts auf ein Fünftel des tatsächlichen Gehalts eine Sauerstoffanreicherung von mehr als 1 Milliarde Jahren früher ermöglicht hätte.

"Wir waren ziemlich überrascht, dass wir den Übergang eine Milliarde Jahre in beide Richtungen vorantreiben konnten, da diese Eisengehalte in der äußeren Kruste angesichts der chaotischen Natur der Erdbildung sicherlich plausibel sind", sagte er.

Claire und ihre Kollegen David Catling, ein UW-Professor für Atmosphärenwissenschaften, und Kevin Zahnle vom Ames Research Center der National Aeronautics and Space Administration in Kalifornien werden morgen (9. August) in Calgary, Alberta, während der Geological Society of America ihr Modell diskutieren Treffen der Erdsystemprozesse 2.

Die Sauerstoffversorgung der Erde stammte von Cyanobakterien, winzigen wasserbewohnenden Organismen, die durch Photosynthese überleben. Dabei wandeln die Bakterien Kohlendioxid und Wasser in organischen Kohlenstoff und freien Sauerstoff um. Aber Claire bemerkte, dass sich auf der frühen Erde freier Sauerstoff schnell mit einem reichlich vorhandenen Element, beispielsweise Wasserstoff oder Kohlenstoff, verbinden würde, um andere Verbindungen zu bilden, und dass sich daher nicht sehr leicht freier Sauerstoff in der Atmosphäre ansammelte. Methan, eine Kombination aus Kohlenstoff und Wasserstoff, wurde zu einem dominierenden atmosphärischen Gas.

Mit einer Sonne, die viel schwächer und kühler als heute ist, erwärmte der Methanaufbau den Planeten bis zu dem Punkt, an dem das Leben überleben könnte. Aber Methan war so reichlich vorhanden, dass es den Oberlauf der Atmosphäre füllte, wo solche Verbindungen heute sehr selten sind. Dort zersetzte sich das Methan durch UV-Strahlung und sein freigesetzter Wasserstoff entkam in den Weltraum, sagte Claire.

Der Verlust von Wasserstoffatomen in den Weltraum ermöglichte es immer größeren Mengen an freiem Sauerstoff, die Kruste zu oxidieren. Mit der Zeit verringerte sich langsam die Menge an Wasserstoff, die durch die Kombination von Druck und Temperatur, die die Gesteine ​​in der Kruste bildeten, aus der Kruste freigesetzt wurde.

"Vor ungefähr 2,4 Milliarden Jahren überwogen die langfristigen geologischen Sauerstoffquellen die Senken auf eine etwas dauerhafte Weise", sagte Claire. "Die Flucht in den Weltraum ist die einzige dauerhafte Flucht, die wir uns für den Wasserstoff vorstellen und die den Planeten auf ein höheres Sauerstoffniveau gebracht hat."

Das von Claire, Catling und Zahnle entwickelte Modell zeigt, dass die durch die Methandecke verursachten Gewächshausbedingungen schnell zusammenbrachen, als aus Methan gestrippte Wasserstoffatome in den Weltraum entkamen. Die Durchschnittstemperatur der Erde kühlte wahrscheinlich um etwa 30 Grad Celsius oder 54 Grad Fahrenheit ab, und Sauerstoff konnte die Atmosphäre dominieren, da es keinen Überfluss an Wasserstoff mehr gab, um den Sauerstoff zu verbrauchen.

Die Arbeit wird vom Astrobiology Institute der NASA und dem Integrative Graduate Education and Research Traineeship-Programm der National Science Foundation finanziert. Beide fördern die Forschung, um das Leben im Universum zu verstehen, indem sie die Grenzen des Lebens auf der Erde untersuchen.

"Es besteht Interesse an dieser Arbeit, nicht nur zu wissen, wie eine Sauerstoffatmosphäre auf der Erde entstanden ist, sondern auch nach Sauerstoffsignaturen für andere erdähnliche Planeten zu suchen", sagte Claire.

Originalquelle: UW-Pressemitteilung

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