Ein Team unter Leitung des Southwest Research Institute (SwRI) hat sein Modell des Asteroidenbombardements der Erde mit den neuesten geologischen Belegen für frühzeitliche, große Kollisionen ergänzt. Diese Modelle wurden genutzt, um zu verstehen, wie die Einschläge den Sauerstoffgehalt der Erdatmosphäre im Archaikum vor 2,5-4 Milliarden Jahren beeinflusst haben könnten.
Als große Asteroiden oder Kometen die junge Erde trafen, schmolz und verdampfte die freigesetzte Energie Gesteinsmaterial in der Erdkruste. Die kleinen Tropfen aus geschmolzenem Gestein in der Einschlagwolke kondensierten, erstarrten und fielen zurück auf die Erde, wo sie runde, global verteilte, sandgroße Teilchen bilden. Diese glasartigen Teilchen werden als Impaktspherulen bezeichnet und kommen in mehreren dünnen, unterscheidbaren Schichten in der Erdkruste vor, die 2,4-3,5 Milliarden Jahre alt sind.
Diese Spherulenschichten aus dem Archaikum sind Marker für frühzeitliche Kollisionen. “In den letzten Jahren wurde in Bohrkernen und Gesteinsaufschlüssen eine Reihe neuer Spherulenschichten identifiziert, was die Gesamtzahl der bekannten Einschlagereignisse während der Frühzeit der Erde erhöht”, sagte Dr. Nadja Drabon, Professorin an der Harvard University und Co-Autorin der Studie.
“Aktuelle Bombardementmodelle unterschätzen die Anzahl der Spherulenschichten im späten Archaikum, was dafür spricht, dass die Einschlagrate zu der Zeit bis zu zehnmal höher war als bislang angenommen”, sagte Dr. Simone Marchi vom SwRI. Marchi ist der Hauptautor einer Studie über diese Forschungsarbeit im Journal Nature Geoscience. “Darüber hinaus stellen wir fest, dass die angesammelte Masse der Einschlagskörper auf der jungen Erde ein wichtiger ‘Abfluss’
für Sauerstoff war. Das deutet darauf hin, dass das frühe Bombardement die Oxidation der Erdatmosphäre verzögert haben könnte.”
Die Häufigkeit von Sauerstoff in der Erdatmosphäre basiert auf einem Gleichgewicht von Prozessen, die ihn produzieren und entziehen. Diese neuen Ergebnisse stimmen mit den geologischen Aufzeichnungen überein, die zeigen, dass der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre variierte, aber im frühen Archaikum relativ niedrig blieb. Die Einschläge von Himmelskörpern mit mehr als zehn Kilometern Durchmesser könnten zu diesem Mangel beigetragen haben, da der in der Atmosphäre der jungen Erde begrenzt vorhandene Sauerstoff durch die Einschlagdämpfe chemisch verbraucht worden wäre, was seine Häufigkeit in der Atmosphäre weiter reduziert hätte.
“Das Bombardement von Objekten größer als zehn Kilometern Durchmesser im späten Archaikum hätte genug reaktive Gase produziert, um den geringen Sauerstoffgehalt der Atmosphäre vollständig aufzubrauchen”, sagte Dr. Laura Schaefer, Professorin an der Stanford University und Co-Autorin der Studie. “Dieses Muster stimmte mit Belegen für sogenannte ‘Whiffs’ überein – das sind relativ steile aber vorübergehende Anstiege des atmosphärischen Sauerstoffs, die vor rund 2,5 Milliarden Jahren auftraten. Wir vermuten, dass die Whiffs durch Einschläge unterbrochen wurden, die den Sauerstoff aus der Atmosphäre entzogen. Das ist konsistent mit größeren Einschlägen, die von Spherulenschichten in Bee Gorge und Dales Gorge (Australien) aufgezeichnet wurden.”
Die Ergebnisse lassen vermuten, dass die Erde im späten Archaikum einer großen Anzahl gewaltiger Einschläge ausgesetzt war. Vor etwa 2,4 Milliarden Jahren, am Ende dieses Bombardements, durchlief die Erde einen wichtigen Schnitt bezüglich ihrer Oberflächenchemie, der durch den Anstieg des atmosphärischen Sauerstoffs ausgelöst wurde. Dies wird als die Große Sauerstoffkatastrophe (Great Oxidation Event, GOE) bezeichnet und wird Veränderungen des Gleichgewichts zwischen produzierenden und entziehenden Prozessen zugeschrieben. Zu den vorgeschlagenen Szenarien gehört ein vermuteter Anstieg der Sauerstoffproduktion und ein Rückgang der Gase, die zum Sauerstoffentzug fähig sind, entweder aufgrund von vulkanischen Quellen oder durch das langsame Entweichen in den Weltraum.
“Die Einschlagdämpfe verursachten episodisch geringe Sauerstofflevel für lange Zeitspannen vor der Großen Sauerstoffkatastrophe”, sagte Marchi, der kürzlich ein Buch über kollidierende Welten veröffentlicht hat. “Im Verlauf der Zeit wurden die Kollisionen deutlich seltener und zu klein, um den Sauerstoffgehalt nach der Großen Sauerstoffkatastrophe noch nennenswert zu verändern. Die Erde war auf ihrem Weg, um der Planet zu werden, der sie heute ist.”
Studie: “Delayed and variable late Archean atmospheric oxidation due to high collision rates on Earth“, Nature Geoscience, doi 10.1038/s41561-021-00835-9
(THK)
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