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Wissenschaftler haben in Vulkangestein auf der kanadischen Baffininsel eine überraschende Menge einer seltenen Version von Helium namens Helium-3 entdeckt, was die Theorie stützt, dass das Edelgas aus dem Erdkern austritt – und das schon seit Jahrtausenden.
Das Forschungsteam entdeckte auch Helium-4 in den Gesteinen.
Während Helium-4 auf der Erde häufig vorkommt, ist Helium-3 anderswo im Kosmos leichter zu finden, weshalb Wissenschaftler überrascht waren, eine größere Menge des Elements in den Gesteinen der Baffininsel zu entdecken, als zuvor berichtet wurde. Eine Studie, die die Entdeckung beschreibt, wurde kürzlich in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
„Grundsätzlich gibt es im Universum nur wenig 3He (Helium-3) im Vergleich zu 4He (Helium-4)“, sagte der Hauptautor der Studie, Forrest Horton, außerordentlicher Wissenschaftler in der Abteilung für Geologie und Geophysik am Woods Hole Oceanographic Institution , in einer E-Mail.
„3Er ist auf der Erde selten, weil er nicht in nennenswerten Mengen auf dem Planeten produziert oder hinzugefügt wurde und im Weltraum verloren geht“, fügte Horton hinzu. „Während sich der felsige Teil der Erde bewegt und konvektioniert wie heißes Wasser auf einem Herd, steigt Material auf, kühlt ab und sinkt.
Während der Abkühlungsphase geht Helium in die Atmosphäre und dann in den Weltraum verloren.“
Die Entdeckung von Elementen, die aus dem Erdkern austreten, kann Wissenschaftlern helfen, Einblicke in die Entstehung und Entwicklung unseres Planeten im Laufe der Zeit zu gewinnen, und die neuen Erkenntnisse liefern Beweise, die eine bestehende Hypothese über die Entstehung unseres Planeten untermauern.
Baffin Island liegt auf dem Gebiet von Nunavut und ist die größte Insel Kanadas. Es ist auch die fünftgrößte Insel der Welt.
Ein hohes Verhältnis von Helium-3 zu Helium-4 wurde erstmals von Solveigh Lass-Evans im Rahmen ihrer Doktorarbeit unter der Aufsicht des Wissenschaftlers Finlay Stuart von der University of Edinburgh im Vulkangestein der Baffininseln nachgewiesen. Ihre Ergebnisse wurden 2003 in Nature veröffentlicht.
Die Zusammensetzung eines Planeten spiegelt die Elemente wider, die ihn geformt haben, und frühere Untersuchungen ergaben, dass Spuren von Helium-3, die aus dem Erdkern austreten, die populäre Theorie stützen, dass unser Planet aus einem Sonnennebel stammt – einer Wolke aus Gas und Staub kollabierte wahrscheinlich aufgrund der Schockwelle einer nahegelegenen Supernova, die das Element enthielt.
Horton und seine Kollegen gingen noch einen Schritt weiter, als sie 2018 auf der Baffininsel Forschungen durchführten und die Lava untersuchten, die vor Millionen von Jahren ausbrach, als Grönland und Nordamerika sich trennten und Platz für einen neuen Meeresboden machten. Sie wollten die Gesteine untersuchen, die möglicherweise Erkenntnisse über den Inhalt enthalten, der im Erdkern und -mantel, der größtenteils festen Schicht des Erdinneren unter der Erdoberfläche, eingeschlossen ist.
Robertharding/Alamy Stock Foto
Auf Baffin Island gibt es Berge und steile Klippen.
Die Forscher reisten mit dem Hubschrauber, um die abgelegene, jenseitige Landschaft der Insel zu erreichen, wo Lavaströme hoch aufragende Klippen geformt haben, riesige Eisberge vorbeitreiben und Eisbären die Küste heimsuchen. Lokale Organisationen, darunter die Qikiqtani Inuit Association und das Nunavut Research Institute, hätten den Forschern Zugang, Beratung und Schutz vor den Bären gewährt, sagte Horton.
„Dieses Gebiet auf Baffin Island ist sowohl als heiliges Land für die örtlichen Gemeinden als auch als wissenschaftliches Fenster in die Tiefen der Erde von besonderer Bedeutung“, sagte er.
Die arktischen Gesteine, die Horton und sein Team untersuchten, ergaben überraschend höhere Werte für Helium-3 und Helium-4 als in früheren Untersuchungen angegeben, und die Messwerte variierten zwischen den gesammelten Proben.
„Viele der Lava sind voll von hellgrünem Olivin (auch als Edelstein-Peridot bekannt), daher war das Abbrechen frischer Stücke mit einem Steinhammer genauso aufregend wie das Auseinanderbrechen von Geoden als Kind: Jeder Stein war ein Schatz, den es zu entdecken galt.“ Sagte Horton. „Und was für wissenschaftliche Schätze sie sich herausstellten!“
Laut Horton kommt auf jede Million Helium-4-Atome nur etwa ein Helium-3-Atom. Das Team maß etwa 10 Millionen Helium-3-Atome pro Gramm Olivinkristalle.
„Unsere hohen 3He/4He-Messungen deuten darauf hin, dass Gase, die vermutlich während der Entstehung des Sonnensystems aus dem Sonnennebel stammen, auf der Erde besser erhalten bleiben als bisher angenommen“, sagte er.
Doch wie kam das Helium-3 überhaupt ins Gestein?
Die Antwort könnte bereits beim Urknall liegen, der bei der Entstehung des Universums auch eine Menge Wasserstoff und Helium freisetzte. Diese Elemente wurden im Laufe der Zeit in die Entstehung von Galaxien einbezogen.
Wissenschaftler gehen davon aus, dass sich unser Sonnensystem vor 4,5 Milliarden Jahren innerhalb eines Sonnennebels gebildet hat. Als die Staubwolke in einer Supernova kollabierte, bildete das resultierende Material eine rotierende Scheibe, aus der laut NASA schließlich unsere Sonne und die Planeten entstanden.
Helium, das aus dem Sonnennebel stammt, wurde wahrscheinlich bei der Entstehung des Planeten im Erdkern eingeschlossen, wodurch der Kern zu einem Reservoir für Edelgase wurde. Als Helium-3 aus dem Kern austrat, stieg es in Form von Magmawolken durch den Mantel an die Oberfläche, die schließlich auf Baffin Island ausbrachen.
„Während der Eruption entwich der überwiegende Teil der Gase im Magma in die Atmosphäre“, sagte Horton. „Nur die Olivinkristalle, die vor dem Ausbruch wuchsen, fingen das Helium aus der Tiefe der Erde ein und konservierten es.“
Die neuen Forschungsergebnisse stützen die Annahme, dass Helium-3 aus dem Erdkern austritt, und zwar schon seit einiger Zeit. Die Forscher sind sich jedoch nicht ganz sicher, wann dieser Prozess begann.
„Die Laven sind etwa 60 Millionen Jahre alt und der Aufstieg der Mantelwolke dauerte vielleicht mehrere zehn Millionen Jahre“, sagte Horton. „Das Helium, das wir in diesen Gesteinen gemessen haben, wäre also vor vielleicht 100 Millionen Jahren oder möglicherweise viel früher aus dem Kern entwichen.“
Helium, das aus dem Erdkern austritt, habe keinen Einfluss auf unseren Planeten und habe auch keine negativen Auswirkungen, sagte er. Das Edelgas reagiert nicht chemisch mit Materie und hat daher keine Auswirkungen auf die Menschheit oder die Umwelt.
Als Nächstes möchte das Forscherteam untersuchen, ob der Kern ein Speicher für andere leichte Elemente ist, was erklären könnte, warum der äußere Kern der Erde weniger dicht ist als erwartet.
„Ist der Kern ein wichtiger Speicher für Elemente wie Kohlenstoff und Wasserstoff, die für die Bewohnbarkeit des Planeten so wichtig sind? Wenn ja, haben die Flüsse dieser Elemente aus dem Kern im Laufe der (Erd-)Geschichte die Planetenentwicklung beeinflusst? Ich freue mich darauf, Zusammenhänge zwischen Helium und anderen leichten Elementen zu untersuchen“, sagte Horton. „Vielleicht kann Helium verwendet werden, um andere Elemente über die Kern-Mantel-Grenze hinweg zu verfolgen.“