Ein vom Southwest Research Institute geleitetes Team aktualisierte planetare Bombardementmodelle mit den neuesten geologischen Informationen und wandte diese Modelle dann an, um zu verstehen, wie die Auswirkungen den Sauerstoffgehalt der Erdatmosphäre im Archäischen Äon vor 2,5 bis 4 Milliarden Jahren beeinflusst haben könnten. Diese künstlerische Konzeption zeigt große Asteroiden, die die sauerstoffarme Atmosphäre der Erde durchdringen. Bildnachweis: SwRI/Dan Durda, Simone Marchi
Studie zeigt, dass Kollisionen, die das Sauerstoffwachstum auf dem Planeten zum Stillstand brachten, häufiger als angenommen wurden.
Vor 2,5 bis 4 Milliarden Jahren, einer Zeit, die als Archäisches Äon bekannt ist, konnte das Wetter der Erde oft als bewölkt mit der Möglichkeit eines Asteroiden beschrieben werden.
Damals war es nicht ungewöhnlich, dass Asteroiden oder Kometen die Erde trafen. Tatsächlich veränderten die größten, mehr als zehn Kilometer breit, die Chemie der frühesten Atmosphäre des Planeten. Während dies alles von den Geologen allgemein akzeptiert wurde, wurde nicht so gut verstanden, wie oft diese großen Asteroiden einschlagen und wie genau sich der Fallout der Einschläge auf die Atmosphäre auswirkte, insbesondere auf den Sauerstoffgehalt. Ein Forscherteam glaubt nun, einige der Antworten zu haben.
In einer neuen Studie war Nadja Drabon, eine Harvard-Assistenzprofessorin für Erd- und Planetenwissenschaften, Teil eines Teams, das Überreste alter Asteroiden analysierte und die Auswirkungen ihrer Kollisionen modellierte, um zu zeigen, dass die Einschläge häufiger stattfanden als bisher angenommen und möglicherweise haben sich verzögert, als sich Sauerstoff auf dem Planeten ansammelte. Die neuen Modelle können Wissenschaftlern helfen, genauer zu verstehen, wann der Planet seinen Weg zur Erde begann, die wir heute kennen.
„Freier Sauerstoff in der Atmosphäre ist entscheidend für jedes Lebewesen, das die Atmung zur Energiegewinnung nutzt“, sagte Drabon. „Ohne die Ansammlung von Sauerstoff in der Atmosphäre würden wir wahrscheinlich nicht existieren.“
Ein vom Southwest Research Institute geleitetes Team aktualisierte planetare Bombardementmodelle, um zu verstehen, wie große Einschläge wie der hier dargestellte den Sauerstoffgehalt der Erdatmosphäre im Archäischen Äon vor 2,5 bis 4 Milliarden Jahren beeinflusst haben könnten. Bildnachweis: SwRI/Simone Marchi
Die Arbeit ist beschrieben in Natur Geowissenschaften und wurde von Simone Marchi, einer Wissenschaftlerin am Southwest Research Institute in Boulder, Colorado, geleitet.
Die Forscher fanden heraus, dass bestehende planetarische Bombardementmodelle unterschätzen, wie häufig Asteroiden und Kometen die Erde treffen. Die neue, höhere Kollisionsrate deutet darauf hin, dass Impaktoren etwa alle 15 Millionen Jahre den Planeten treffen, etwa zehnmal höher als bei aktuellen Modellen.
Das erkannten die Wissenschaftler, nachdem sie Aufzeichnungen von scheinbar gewöhnlichen Gesteinsbrocken analysiert hatten. Sie sind eigentlich uralte Beweise, bekannt als Einschlagskügelchen, die sich bei den feurigen Kollisionen jedes Mal bildeten, wenn große Asteroiden oder Kometen den Planeten trafen. Infolgedessen schmolz die Energie des Aufpralls und verdampfte die felsigen Materialien in der Erdkruste und schleuderte sie in einer riesigen Wolke nach oben. Kleine Tröpfchen geschmolzenen Gesteins in dieser Wolke würden dann kondensieren und sich verfestigen und als sandgroße Partikel auf die Erde zurückfallen, die sich wieder auf der Erdkruste absetzen würden. Diese alten Markierungen sind schwer zu finden, da sie im Gestein Schichten bilden, die normalerweise nur etwa einen Zoll groß sind.
„Man macht im Grunde nur lange Wanderungen und schaut sich all die Felsen an, die man finden kann, weil die Aufprallpartikel so winzig sind“, sagte Drabon. “Sie werden wirklich leicht übersehen.”
Eine vom SwRI geführte Studie aktualisierte Bombardementmodelle auf der Grundlage kleiner glasiger Partikel, die als Einschlagskügelchen bekannt sind und mehrere dünne, diskrete Schichten in der Erdkruste bevölkern, deren Alter zwischen 2,4 und 3,5 Milliarden Jahre liegt. Kugelschichten – wie die in dieser 5 Zentimeter großen, 2,6 Milliarden Jahre alten Probe aus Australien – sind Marker für alte Kollisionen. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung von UCLA/Scott Hassler und Oberlin/Bruce Simonson
Wissenschaftler wie Drabon haben jedoch Brüche erwischt. „In den letzten Jahren wurden Beweise für eine Reihe zusätzlicher Auswirkungen gefunden, die zuvor nicht erkannt worden waren“, sagte sie.
Diese neuen Kugelschichten erhöhten die Gesamtzahl der bekannten Einschlagsereignisse während der frühen Erde. Dies ermöglichte es dem Team des Southwest Research Institute, seine Bombardementmodelle zu aktualisieren, um festzustellen, dass die Kollisionsrate unterschätzt wurde.
Die Forscher modellierten dann, wie all diese Einflüsse die Atmosphäre beeinflusst hätten. Sie fanden im Wesentlichen heraus, dass die kumulierten Auswirkungen von Meteoriteneinschlägen von Objekten, die größer als 10 Kilometer sind, wahrscheinlich eine Sauerstoffsenke erzeugten, die den größten Teil des Sauerstoffs aus der Atmosphäre saugte.
Die Ergebnisse stimmen mit den geologischen Aufzeichnungen überein, die zeigen, dass der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre im frühen Archäischen Zeitalter variierte, aber relativ niedrig blieb. Dies war bis vor etwa 2,4 Milliarden Jahren der Fall, am Ende dieser Zeitperiode, als sich die Bombardierung verlangsamte. Die Erde durchlief dann eine große Veränderung in der Oberflächenchemie, die durch den Anstieg des Sauerstoffgehalts, bekannt als das Große Oxidationsereignis, ausgelöst wurde.
„Im Laufe der Zeit werden Kollisionen immer seltener und zu klein, um den Sauerstoffgehalt nach der GOE signifikant verändern zu können“, sagte Marchi in einer Erklärung. „Die Erde war auf dem Weg, der aktuelle Planet zu werden.“
Drabon sagte, dass die nächsten Schritte des Projekts darin bestehen, ihre Modellierungsarbeiten auf die Probe zu stellen, um zu sehen, was sie selbst in den Felsen modellieren können.
„Können wir in der Gesteinsaufzeichnung tatsächlich nachverfolgen, wie der Sauerstoff aus der Atmosphäre gesaugt wurde?“ fragte sich Drabon.
Literaturhinweis: „Delayed and Variable Late Archaean Atmosphärische Oxidation aufgrund hoher Kollisionsraten auf der Erde“ von S. Marchi, N. Drabon, T. Schulz, L. Schaefer, D. Nesvorny, WF Bottke, C. Koeberl und T. Lyons, 21. Oktober 2021, Natur Geowissenschaften.
DOI: 10.1038/s41561-021-00835-9