Flecken von Raumstaub, der vor 2, 7 Milliarden Jahren zur Erde gewandert ist, geben Wissenschaftlern einen ersten Einblick in die chemische Zusammensetzung der oberen Atmosphäre unseres jungen Planeten.
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Die Forschung legt nahe, dass die uralte obere Atmosphäre der Erde ungefähr die gleiche Menge Sauerstoff enthielt wie heute, etwa 20 Prozent. Dies steht im Widerspruch zu der Annahme der Wissenschaftler: Da die untere Atmosphäre der frühen Erde nur wenig Sauerstoff enthält, hielten die Forscher die obere Atmosphäre ebenfalls für gasfrei.
Wissenschaftler sagen, dass die Ergebnisse, die in der dieswöchigen Ausgabe der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurden, einen neuen Weg für die Untersuchung der atmosphärischen Entwicklung in tiefer Zeit eröffnen und einen neuen Einblick in die Entwicklung der Erdatmosphäre in ihrem gegenwärtigen Zustand geben.
"Die sich entwickelnde Atmosphäre hat die Chemie einer Vielzahl von geologischen Prozessen verändert, von denen einige für die Bildung gigantischer Mineralressourcen verantwortlich sind", sagt der leitende Studienautor Andrew Tomkins von der Monash University in Melbourne, Australien -Hydrosphäre-Geosphäre-Wechselwirkungen und wie sie sich im Laufe der Zeit verändert haben “, erklärt er.
Der für die Studie verwendete Raumstaub oder "Mikrometeorit" wurde aus alten Kalksteinproben aus der Region Pilbara in Westaustralien gewonnen. Die kosmischen Kügelchen schmolzen nach dem Eintritt in die Erdatmosphäre in Höhenlagen von etwa 50 bis 60 Meilen.
„Früher haben Menschen Mikrometeoriten in Gesteinen gefunden, aber niemand hatte daran gedacht, mit ihnen die Chemie der Atmosphäre zu untersuchen“, sagt Tomkins.
Als die winzigen Objekte hoch oben in der antiken Atmosphäre schmolzen und sich reformierten, reagierten sie mit dem Sauerstoff in ihrer Umgebung und verwandelten sich. Die Forscher konnten einen Blick in diese uralten Mikrometeoriten werfen, um zu sehen, welchen chemischen Veränderungen sie auf ihrer Reise durch die Atmosphäre ausgesetzt waren.
Die Pilbara-Region in Westaustralien, in der die Wissenschaftler die Mikrometeoriten gefunden haben (SimonKr doo / iStock) Mithilfe eines Mikroskops stellten Tomkins und seine Kollegen fest, dass es sich bei den Mikrometeoriten einst um metallische Eisenpartikel handelte, die sich nach Einwirkung von Sauerstoff in Eisenoxidmineralien verwandelt hatten.
Die Wissenschaftler argumentieren, dass der Sauerstoffgehalt in der oberen Erdatmosphäre während des Archäologischen Zeitalters (vor 3, 9 bis 2, 5 Milliarden Jahren) viel höher gewesen sein muss, als bisher angenommen.
Berechnungen des Studienkoautors Matthew Genge, Experte für kosmischen Staub am Imperial College London, legen nahe, dass die Sauerstoffkonzentration in der oberen Atmosphäre ungefähr 20 Prozent betragen muss - oder nahe dem heutigen Niveau -, um die Beobachtungen zu erklären.
"Ich finde es wirklich aufregend, dass sie möglicherweise die [obere] Atmosphärenzusammensetzung durch diese Mikrometeoriten testen können", sagt Jim Kasting, Geowissenschaftler an der Pennsylvania State University, der nicht an der Studie beteiligt war.
Tomkins und sein Team sind der Ansicht, dass ihre neuen Ergebnisse eine von Kasting und anderen vorgeschlagene Idee stützen könnten, wonach die Erdatmosphäre während des Archäismus gestapelt wurde, wobei die untere und obere Atmosphäre durch eine dunstige mittlere Schicht getrennt sind. Diese Schicht hätte sich aus dem Treibhausgas Methan zusammengesetzt, das in großen Mengen von frühen methanproduzierenden Organismen, den sogenannten "Methanogenen", erzeugt wurde.
Das Methan hätte ultraviolettes Licht absorbiert und Wärme freigesetzt, um eine warme Zone zu erzeugen, die das vertikale Mischen verschiedener atmosphärischer Schichten blockierte.
Nach diesem Szenario hätte die Trübungsschicht die vertikale Vermischung bis zum „großen Oxidationsereignis“ vor 2, 4 Milliarden Jahren gehemmt, als die Photosynthese von Cyanobakterien Sauerstoff in ausreichenden Mengen produzierte, um das Methan zu zerstreuen.
"Sauerstoff und Methan passen nicht gut zusammen, so dass dieser Anstieg des Sauerstoffs das Methan schließlich aus dem System heraus umgesetzt hätte", sagt Tomkins. "Die Entfernung von Methan würde ein wirksameres Mischen der oberen und unteren Atmosphäre ermöglichen."
Tomkins betonte jedoch, dass diese Hypothese noch geprüft werden müsse, und er plant, mit Kasting zusammen Computermodelle zu entwickeln, um vertikales Mischen in Atmosphären mit unterschiedlichen Zusammensetzungen zu simulieren.
„Wir haben nur zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Probe der oberen Atmosphäre entnommen“, sagt Tomkins. "Der nächste Schritt ist die Gewinnung von Mikrometeoriten aus Gesteinen, die einen weiten Bereich der geologischen Zeit abdecken, und die Untersuchung weitreichender Veränderungen in der Chemie der oberen Atmosphäre."
Erfahren Sie mehr über diese Forschung und mehr im Deep Carbon Observatory.
