Die Geysire, heißen Quellen, Fumarolen und anderen hydrothermalen Eigenschaften des Yellowstone-Nationalparks spucken eine Ansammlung von Gasen aus der Tiefe der Erde aus - Dampf, Kohlendioxid, Methan, Neon, Argon und Helium. Es gibt nicht genug davon, Helium, damit der Park Luftballons verkauft oder Besucher wie Streifenhörnchen klingen, aber es gibt viel zu studieren für Wissenschaftler.
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Helium kann aus vulkanischen Gesteinen heraussprudeln, die die hydrothermale Aktivität antreiben, aber anscheinend kommt nicht der größte Teil von Yellowstones Helium von dort. Das Gas des Parks stammt tief aus Gesteinen, in denen es seit Hunderten von Millionen Jahren gespeichert ist, berichten Wissenschaftler des US Geological Survey heute in Nature .
Helium ist das zweithäufigste Element im Universum - es entsteht durch die Kernfusion von Wasserstoffatomen, ein Prozess, der Sterne antreibt -, aber es ist hier auf der Erde ziemlich selten. Zum Glück von Geburtstagsfeiern und Clowns (und der modernen Medizin) kann Helium unter Tage aus Erdgasvorkommen gewonnen werden.
Helium auf der Erde kommt in zwei Hauptformen vor: Fast alle kommen als Helium-4 vor (so genannt, weil es zwei Protonen und zwei Neutronen hat), das beim radioaktiven Zerfall schwerer Elemente wie Uran entstehen kann. Ein winziger Anteil (etwa einer von einer Million) kommt als Helium-3 vor (zwei Protonen und ein Neutron), von dem der größte Teil seit der Entstehung des Planeten auf der Erde vorhanden ist und ein Überbleibsel von Material ist, das ursprünglich den Planeten gebildet hat.
Das Verhältnis von Helium-3 zu Helium-4 variiert jedoch geringfügig, und Wissenschaftler können dieses Verhältnis tatsächlich verwenden, um die ungefähre Quelle von Helium zu bestimmen, die sie finden. Uran und andere schwere Elemente sind mit Mineralien, die im Erdmantel vorkommen, weniger verträglich, sodass diese Elemente bis zur Kruste filtern, wo ihr Zerfall Helium-4 produziert. Mantelmaterialien, die weniger dieser schweren radioaktiven Elemente enthalten, produzieren nicht so viel Helium-4, so dass das dort vorhandene Helium hauptsächlich in Form von Helium-3 vorliegt.
Das Hydrothermalsystem im Yellowstone-Nationalpark weist eine relativ hohe Helium-3-Menge auf, und Wissenschaftler halten dies für einen Beweis dafür, dass der Yellowstone-Hotspot tief im Erdmantel liegt und einen relativ geraden Pfad nach oben aufweist.
Durch eine heiße Quelle im Yellowstone-Nationalpark sprudelndes Gas wird durch einen Trichter gesammelt. Bildnachweis: J. Lowenstern, US Geological Survey Aber es scheint, dass das Helium-4 eine kompliziertere Reise an die Oberfläche hat. Forscher der USGS sammeln seit einem Jahrzehnt Gasproben aus ganz Yellowstone und führen chemische und Isotopenanalysen des Heliums, Kohlendioxids und anderer Gase in diesen Proben durch. Die Menge an Helium-4, die in Yellowstone emittiert wird, übersteigt die durchschnittliche Menge, die sie an anderer Stelle erwarten würden, um ein Vielfaches.
Der größte Teil von Yellowstones Helium-4 ist nach Berechnungen der Wissenschaftler mindestens Hunderte Millionen - vielleicht sogar Milliarden - Jahre alt. Angesichts der vorhandenen Gasmenge schließen die Wissenschaftler, dass es wahrscheinlich aus Gesteinen in einer sehr alten Kruste stammt, von denen bekannt ist, dass sie in der Nähe vergraben sind. Diese superalte Krustentasche aus dem archaischen Zeitalter wurde vor mehr als 2, 5 Milliarden Jahren gebildet und enthält Uran und andere radioaktive Materialien, die stetig zerfallen. Dadurch hätten sich unter Tage hohe Konzentrationen an Helium-4 gebildet. Dann drang der Yellowstone-Hotspot vor etwa zwei Millionen Jahren in diese uralten Felsen ein, einige der ältesten auf dem Planeten, und setzte das dort gespeicherte Helium-4 zusammen mit dem aus dem Erdmantel stammenden Helium-3 frei.
Diese Entdeckung ist wahrscheinlich für alle Yellowstone-Fans interessant, aber für Wissenschaftler gibt es möglicherweise wichtigere Implikationen. Helium und andere Edelgase werden zur Schätzung der Grundwasserverweilzeiten verwendet. Wissenschaftler gehen beispielsweise davon aus, dass je mehr Helium-4 im Wasser vorhanden ist, desto länger Wasser in den ihn umgebenden Felsen verweilt.
Die Untersuchung von Helium in Yellowstone zeigt jedoch, dass einige dieser Annahmen - insbesondere Helium-4, das durch den stetigen Zerfall von Elementen entsteht, die nur in den Gesteinen und Sedimenten des lokalen Grundwasserleiters zu finden sind - nicht ganz richtig sind. Helium kann plötzlich von unerwarteten Orten in ein System gelangen - beispielsweise aus einer Tasche aus uraltem Gestein oder aus einer Magmaquelle -, weshalb die Daten früherer Berechnungen, insbesondere von Grundwasserleitern in vulkanischen Regionen oder in der Nähe von Erdbebenfehlern, möglicherweise weit davon entfernt sind das zusätzliche Helium.
Wissenschaftler sind es jedoch gewohnt, mit neuen Daten umzugehen, die alte Theorien ändern. Das ist schließlich die Natur der Wissenschaft. Bewohner des Yellowstone-Gebiets wünschen sich jedoch wahrscheinlich, dass Forscher sich nur beeilen und herausfinden, ob der Supervulkan, der unter ihnen brodelt und zuletzt vor 640.000 Jahren ausgebrochen ist, bald wieder explodieren wird.
