Die Rolle des Kohlenstoffs bei der Entstehung planetarer Atmosphären

Der Mars. In der Bildmitte erkennt man das größte Canyonsystem des Sonnensystems, Valles Marineris. Die dunklen Flecken links sind die Vulkane Ascraeus Mons, Pavonis Mons und Arsia Mons. Vulkanische Aktivität könnte in der Frühzeit des Planeten genug Methan freigesetzt haben, um wärmere Bedingungen zu schaffen, die flüssiges Wasser auf der Oberfläche ermöglichten. (Jody Swann / Tammy Becker / Alfred McEwen / USGS / NASA)
Der Mars. In der Bildmitte erkennt man das größte Canyonsystem des Sonnensystems, Valles Marineris. Die dunklen Flecken links sind die Vulkane Ascraeus Mons, Pavonis Mons und Arsia Mons. Vulkanische Aktivität könnte in der Frühzeit des Planeten genug Methan freigesetzt haben, um wärmere Bedingungen zu schaffen, die flüssiges Wasser auf der Oberfläche ermöglichten. (Jody Swann / Tammy Becker / Alfred McEwen / USGS / NASA)

Eine neue Studie darüber, wie Kohlenstoff von eisenreichem, vulkanischen Magma eingeschlossen und freigesetzt wird, liefert Anhaltspunkte über die frühe atmosphärische Entwicklung auf dem Mars und anderen terrestrischen Himmelskörpern. Die Studie in den Proceedings of the National Academy of Sciences spricht dafür, dass die Art und Weise, wie Kohlenstoff aus dem Planeteninneren an seine Oberfläche gelangt, eine große Rolle bei der Entwicklung einer planetaren Atmosphäre spielt. Wenn der Mars beispielsweise einen Großteil seines Kohlenstoffs als Methan freigesetzt hätte, wäre er möglicherweise warm genug gewesen, um flüssiges Wasser zu beherbergen.

Die Zusammensetzung der Atmosphäre eines Planeten hat ihre Wurzeln tief unter seiner Oberfläche. Wenn Mantelgestein schmilzt, um Magma zu bilden, schließt es Kohlenstoff unter der Oberfläche ein. Weil sich das Magma aufwärts in Richtung Oberfläche bewegt und der Druck dort abnimmt, wird der Kohlenstoff als Gas freigesetzt. Auf der Erde ist Kohlenstoff im Magma als Karbonat eingeschlossen und wird als Kohlenstoffdioxid freigesetzt, ein Treibhausgas, das der Erdatmosphäre hilft, Sonnenwärme zu speichern. Aber wie der Kohlenstoff auf anderen Planeten in die Atmosphäre gelangt und wie das die Treibhausbedingungen beeinflussen könnte, war nicht sehr gut verstanden.

“Wir wissen, dass der Kohlenstoff aus dem festen Mantel in das flüssige Magma wandert, dann aus dem flüssigen Magma in den gasförmigen Zustand übergeht und freigesetzt wird”, sagte Alberto Saal, Professor für Geowissenschaften an der Brown University und einer der Autoren der Studie. “Unter diesen für den Planeten relevanten Bedingungen entstehen verschiedene Kohlenstoffarten und wir wollen verstehen, wie sie den Transfer beeinflussen.” An der neuesten Forschungsarbeit waren auch Forscher der Northwestern University und der Carnegie Institution of Washington beteiligt.

Die Studie lässt darauf schließen, dass Kohlenstoff unter den Bedingungen, wie sie im Mantel des Mars, des Mondes und anderer Himmelskörper herrschen, in den Magmen hauptsächlich als sogenanntes Eisencarbonyl eingeschlossen und als Kohlenstoffmonixid und Methan freigesetzt wird. Beide Gase, vor allem Methan, besitzen ein hohes Treibhauspotenzial. Die Ergebnisse wurden in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht und sprechen dafür, dass genug Methan in der Marsatmosphäre freigesetzt worden sein könnte, um den Planeten deutlich wärmer zu machen als er jetzt ist, sofern Vulkanismus in der Frühgeschichte des Mars weit verbreitet war.

Ein bedeutender Unterschied zwischen den Bedingungen im Erdmantel und jenen in den Mantelschichten anderer terrestrischer Himmelskörper ist etwas, das Wissenschaftler als Sauerstoff-Flüchtigkeit (Fugazität) bezeichnen: die Menge freien Sauerstoffs, die für Reaktionen mit anderen Elementen verfügbar ist. Der heutige Erdmantel hat eine relativ hohe Sauerstoff-Flüchtigkeit, aber in Himmelskörpern wie dem Mond oder dem frühen Mars ist sie sehr niedrig. Um herauszufinden, wie sich die geringere Sauerstoff-Flüchtigkeit auf den Kohlenstofftransfer auswirkt, führten die Forscher eine Reihe von Experimenten mit vulkanischem Basaltgestein durch, das jenem auf dem Mond und dem Mars ähnelt.

Sie schmolzen das Vulkangestein bei variierenden Druckverhältnissen, Temperaturen und Werten für die Sauerstoff-Flüchtigkeit und verwendeten ein leistungsfähiges Spektrometer, um zu messen, wie viel Kohlenstoff von der Schmelze absorbiert wurde und in welcher Form. Sie stellten fest, dass der Kohlenstoff bei geringen Sauerstoff-Flüchtigkeiten als Eisencarbonyl eingeschlossen wurde – das wurde in früheren Forschungsarbeiten nicht registriert. Bei geringeren Druckverhältnissen gast Eisencarbonyl als Kohlenstoffmonoxid und Methan aus.

“Wir erkannten, dass man bei geringer Sauerstoff-Flüchtigkeit mehr Kohlenstoff in dem Magma lösen kann als bislang gedacht”, sagte Diane Wetzel, eine Doktorandin an der Brown University und leitende Autorin der Studie. “Das spielt eine große Rolle bei der Ausgasung aus dem Planeteninneren und dabei, wie es im Anschluss die atmosphärische Entwicklung auf verschiedenen planetaren Himmelskörpern beeinflussen wird.”

In seiner Frühgeschichte war der Mars die Heimat riesiger aktiver Vulkane, was bedeutet, dass signifikante Mengen an Methan durch den Kohlenstofftransfer freigesetzt worden wären. Methan besitzt ein deutlich höheres Treibhauspotenzial gegenüber Kohlenstoffdioxid. Deswegen weisen die Ergebnisse darauf hin, dass sogar eine dünne Atmosphäre in der Vergangenheit des Mars Bedingungen geschaffen haben könnte, die warm genug für flüssiges Wasser auf der Oberfläche gewesen wären.

Die anderen Autoren der Studie waren Malcolm Rutherford von der Brown University, Steve Jacobson von der Northwestern University und Erik Hauri von der Carnegie Institution. Die Arbeit wurde von der NASA, der National Science Foundation, der David and Lucile Packard Foundation und dem Deep Carbon Observatory unterstützt.

Quelle: http://news.brown.edu/pressreleases/2013/04/magma

(THK)

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