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Die Bedingungen auf der frühen Erde waren lange Zeit ein Rätsel. Aber Forscher von der NASA und der Universität von Washington haben jetzt einen Weg gefunden, um die unsicheren Variablen der Zeit zu erklären und dabei zu entdecken, dass unser Planet längst gemäßigter war als bisher angenommen.

Durch die Anwendung dieser Ergebnisse auf andere Gesteinsplaneten kommen die Forscher zu dem Schluss, dass der Zeitrahmen und die Wahrscheinlichkeit, dass Leben an anderer Stelle fortbesteht, größer ist als zunächst angenommen.

Angesichts der Tatsache, dass wir keine Gesteine ​​oder anderes Material aus den ersten 500 Millionen Jahren der Erde haben, sind die Annäherungen der Bedingungen auf unserem Planeten während dieser Zeit sehr unterschiedlich gewesen. Einige stellen sich vor, dass die frühe Erde von Vulkanausbrüchen und Lavaströmen heimgesucht wird, während andere sich eine Welt vorstellen, die schläft und in Eis eingeschlossen ist. [7 Theorien über den Ursprung des Lebens auf der Erde]

Die 4,5 Milliarden Jahre umfassende Geschichte der Erde lässt Raum für viele geologische Phasen und "die Menschen haben alle möglichen unterschiedlichen geochemischen Datensätze verwendet, um ein gewisses Maß an Oberflächenbedingungen zu erhalten", sagte der Hauptautor der Studie, Joshua Krissansen-Totton von der University of Washington.

Die Forscher konzentrierten sich auf das Archaische Eon vor 4 Milliarden bis 2,5 Milliarden Jahren, kurz nach der Bildung von Erdkruste, Atmosphäre und Ozeanen. Es ist auch, wenn das Leben wahrscheinlich entstanden ist.

Der schwierige Teil besteht darin, den pH-Wert des Ozeans und die globale Temperatur, von der die Schätzungen drastisch abweichen, von alkalisch bis korrosiv sauer und von minus 13 bis 185 Grad Fahrenheit (minus 25 bis 85 Grad Celsius) abzuleiten.

Ein natürlicher Thermostat

Der Kohlenstoffkreislauf der Erde ist der Schlüssel zur Einschränkung dieser Variablen. Vulkane drücken Kohlenstoff durch Ausgasen von Kohlendioxid in die Atmosphäre; Kohlensäure regnet dann an die Oberfläche, löst Gesteine ​​auf und setzt die Ionen im Inneren frei, die schließlich über Flüsse die Ozeane erreichen und Kalziumkarbonat bilden.

Das Ergebnis dieses Prozesses ist, dass Kohlenstoff in der Luft in Felsen eingeschlossen ist. In ähnlicher Weise löst Meerwasser, das durch die Ozeankruste zirkuliert, das umgebende Gestein auf und setzt Ionen frei, die dann neues Karbonatgestein bilden - ein Prozess, der auch den atmosphärischen Kohlenstoff in der Kruste blockiert. Ein Teil dieses Kohlenstoffs wird zurück in den Erdmantel des Planeten geleitet und beginnt den Zyklus von neuem, wenn er wieder von Vulkanen entgast wird.

Diese Verwitterungsprozesse sind temperaturabhängig; Krissannen-Totton verglich den Effekt mit einem "natürlichen Thermostat".

Wenn die Kohlendioxidemissionen ansteigen, steigt die Temperatur an; Wenn die Temperatur steigt, steigt die Verwitterung des Meeresbodens. Da es Milliarden von Jahren gekostet hat, die Erdkontinente zu schaffen, gab es auf der frühen Erde weniger Land, so dass die Verwitterung des Meeresbodens einen besonders wichtigen regulatorischen Einfluss auf die Erdtemperatur hatte und umgekehrt.

Die Forscher verwendeten ihr Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs auf der Grundlage von Daten der letzten 100 Jahre und wählten, anstatt eine einzige Theorie in Bezug auf Zusammensetzung und Klima der Ozeane zu wählen, die größte Bandbreite für das Unbekannte und berechneten dann die Möglichkeiten für Klima und Ozean pH ", sagte Krissannen-Totton dem Astrobiology Magazine.

"Die Forscher haben neue Wege gefunden, um zu beschreiben, wie Kohlenstoff in Sedimenten und Gesteinsporenwasser durch chemische Reaktionen [bei Meeresbodenbewitterung] verbraucht wird", erklärte Andrew Kurtz, Professor für Erd- und Umweltforschung an der Boston University, der nicht Teil der Studie war.

Ein robustes Bild der frühen Erde

Die Forscher testeten ihr Modell gegen die letzten 100 Millionen Jahre Erdgeschichte, über die wir viel mehr Details wissen, für ein Papier, das sie letztes Jahr veröffentlichten. Diese neue Studie ist die erste, die eine realistische und selbstkonsistente Darstellung des Prozesses verwendet und diese auf die frühe Erde anwendet, sagten die Mitglieder des Studien-Teams.

Die Simulationen sind nicht exakt und lösen nicht alle Unsicherheiten. Aber laut Krissansen-Totton liefern sie "robuste" Informationen über die frühe Erde. Kurtz bestätigte, dass die Ergebnisse "eine scheinbar vernünftige Klima- und pH-Geschichte erzeugen, die physikalisch sinnvoll und mathematisch intern konsistent ist".

Die erste halbe Milliarde Jahre des Lebens der Erde ist eine Periode, die Hadean Eon genannt wird und wegen ihrer höllischen Hitze so genannt wird. Die Ergebnisse der Studie stellen jedoch die Vermutung in Frage, dass die Erde bis weit in das Archaische Eon glühend heiß geblieben ist. Nachdem die Wärme aus der Erdformation abgeflossen ist, deuten die Modelle der Forscher darauf hin, dass der pH-Wert des Klimas und Ozeans überraschend moderat war: zwischen 32 und 122 Grad Fahrenheit (0 bis 50 Grad Celsius) mit einem pH-Wert zwischen 6,2 und 7,7. (Ein pH-Wert von 7 ist neutral.)

Kurtz stellte fest, dass dieses Ergebnis mit einem einflussreichen Papier aus dem Jahr 2002 übereinstimmt, in dem die Wahrscheinlichkeit einer "kühlen frühen Erde" diskutiert wird.

Krissansen-Totton glaubt, dass der regulierende Kohlenstoff / Meeresboden-Verwitterungsprozess auf jedem felsigen Planeten mit Wasser stattfinden würde. "Diese Prozesse haben nichts besonderes", sagte er. Wir wissen, dass vor-solare Nebel die Zutaten für das Leben enthalten; wir wissen auch, dass unzählige Exoplaneten mit diesen Inhaltsstoffen in den "bewohnbaren Zonen" ihrer Sterne existieren. Die Studie erweitert das Zeitfenster, auf dem Leben auf diesen Planeten hätte entstehen können. [10 Exoplaneten, die außerirdisches Leben hosten könnten]

Mehr Möglichkeiten für das Leben

Das Modell löst keine Debatten darüber, wann und wo das Leben entstanden ist, sondern es steuert Wissenschaftler in produktive Richtungen für weitere Forschungen. Zum Beispiel, "wenn Sie glauben, dass das Leben auf der Erde bei hohen Temperaturen begann, könnte das immer noch wahr sein", sagte Krissansen-Totton, "aber das würde die Ursprünge auf lokal warme Umgebungen wie hydrothermale Quellen beschränken."

Die Studie hat auch Auswirkungen auf die planetare Evolution.Kurtz wies darauf hin, dass "der Mars einst das meiste von dem hatte, was die Erde dafür hat, oder denken wir: Wasser an der Oberfläche, Kohlendioxid in der Atmosphäre und Silikatgesteine", eine Kombination, die die Möglichkeit zu unterstützen scheint, dass das Leben einmal hätte existierte dort.

Wissenschaftler glauben, dass die Atmosphäre des Mars durch den Sonnenwind in den Weltraum verloren gegangen ist, aber es bleibt die Frage, was das zyklische Gleichgewicht des Roten Planeten stören könnte und ob andere Planeten solch drastische bedingte Veränderungen erfahren könnten.

Die neue Studie wurde im April im Journal Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlicht.

Die Arbeit wurde von der NASA Astrobiologie durch das Exobiology & Evolutionary Biology Programm und das Virtual Planetary Laboratory sowie durch das Earth und Space Science Fellowship Programm unterstützt.