Während des Hadean Eon vor etwa 4,5 Milliarden Jahren war die Welt ein ganz anderer Ort als heute. Während dieser Zeit erzeugten Ausgasung und vulkanische Aktivität die ursprüngliche Atmosphäre, die aus Kohlendioxid, Wasserstoff und Wasserdampf bestand.
Von dieser ursprünglichen Atmosphäre ist nur noch wenig übrig, und geothermische Beweise deuten darauf hin, dass die Erdatmosphäre seit ihrer Entstehung vor mehr als 4 Milliarden Jahren mindestens zweimal vollständig ausgelöscht wurde. Bis vor kurzem waren sich die Wissenschaftler nicht sicher, was diesen Verlust verursacht haben könnte.
Eine neue Studie von MIT, Hebrew Univeristy und Caltech zeigt jedoch, dass die intensive Bombardierung von Meteoriten in dieser Zeit möglicherweise dafür verantwortlich war.
Dieses Meteoritenbombardement hätte ungefähr zur gleichen Zeit stattgefunden, als der Mond gebildet wurde. Das intensive Bombardement von Weltraumgesteinen hätte Gaswolken mit genug Kraft aufgewirbelt, um die Atmosphäre dauerhaft in den Weltraum zu schleudern. Solche Einschläge haben möglicherweise auch andere Planeten gesprengt und sogar die Atmosphäre von Venus und Mars abgeschält.
Tatsächlich fanden die Forscher heraus, dass kleine Planetesimale viel wirksamer sind als große Impaktoren - wie Theia, deren Kollision mit der Erde vermutlich den Mond gebildet hat -, um den atmosphärischen Verlust zu treiben. Basierend auf ihren Berechnungen würde es einen riesigen Einfluss erfordern, um den größten Teil der Atmosphäre zu zerstreuen. Zusammengenommen hätten jedoch viele kleine Auswirkungen den gleichen Effekt.
Hilke Schlichting, Assistenzprofessorin am MIT-Institut für Erd-, Atmosphären- und Planetenwissenschaften, sagt, dass das Verständnis der Treiber der alten Erdatmosphäre Wissenschaftlern helfen könnte, die frühen planetarischen Bedingungen zu identifizieren, die die Bildung des Lebens ermutigten.
"[Dieser Befund] stellt eine ganz andere Ausgangsbedingung für die wahrscheinlichste Atmosphäre der frühen Erde dar", sagt Schlichting. "Es gibt uns einen neuen Ausgangspunkt, um zu verstehen, wie sich die Atmosphäre zusammensetzt und unter welchen Bedingungen sich das Leben entwickelt."
Darüber hinaus untersuchte die Gruppe, wie viel Atmosphäre nach einem Aufprall auf riesige, marsgroße und größere Körper sowie auf kleinere Impaktoren mit einer Größe von 25 Kilometern oder weniger erhalten blieb und verloren ging.
Sie fanden heraus, dass eine Kollision mit einem so massiven Impaktor wie dem Mars den notwendigen Effekt haben würde, eine massive Stoßwelle durch das Erdinnere zu erzeugen und möglicherweise einen erheblichen Teil der Atmosphäre des Planeten auszustoßen.
Die Forscher stellten jedoch fest, dass ein solcher Aufprall wahrscheinlich nicht aufgetreten ist, da er das Erdinnere in eine homogene Aufschlämmung verwandelt hätte. Angesichts des Auftretens verschiedener Elemente im Erdinneren scheint ein solches Ereignis in der Vergangenheit nicht stattgefunden zu haben.
Im Gegensatz dazu würde eine Reihe kleinerer Impaktoren eine Art Explosion erzeugen und eine Wolke aus Trümmern und Gas freisetzen. Der größte dieser Impaktoren wäre stark genug, um das gesamte Gas aus der Atmosphäre unmittelbar über der Aufprallzone auszustoßen. Nur ein Bruchteil dieser Atmosphäre würde nach kleineren Stößen verloren gehen, aber das Team schätzt, dass Zehntausende kleiner Impaktoren es hätten schaffen können.
Ein solches Szenario ereignete sich wahrscheinlich vor 4,5 Milliarden Jahren während des Hadean Eon. Diese Zeit war eine Zeit des galaktischen Chaos, als Hunderttausende von Weltraumgesteinen um das Sonnensystem wirbelten und viele vermutlich mit der Erde kollidierten.
„Natürlich hatten wir damals all diese kleineren Impaktoren“, sagt Schlichting. "Ein kleiner Aufprall kann den größten Teil der Atmosphäre nicht loswerden, aber insgesamt sind sie viel effizienter als riesige Einschläge und können leicht die gesamte Erdatmosphäre ausstoßen."
Schlichting und ihr Team erkannten jedoch, dass der Gesamteffekt kleiner Stöße möglicherweise zu effizient ist, um atmosphärische Verluste zu verursachen. Andere Wissenschaftler haben die atmosphärische Zusammensetzung der Erde im Vergleich zu Venus und Mars gemessen. und im Vergleich zur Venus sind die Edelgase der Erde 100-fach erschöpft. Wenn diese Planeten in ihrer frühen Geschichte dem gleichen Blitz kleiner Impaktoren ausgesetzt gewesen wären, hätte die Venus heute keine Atmosphäre.
Sie und ihre Kollegen gingen noch einmal auf das Szenario mit kleinen Impaktoren zurück, um diesen Unterschied in der Planetenatmosphäre zu erklären. Basierend auf weiteren Berechnungen identifizierte das Team einen interessanten Effekt: Sobald die Atmosphäre eines halben Planeten verloren gegangen ist, wird es für kleine Impaktoren viel einfacher, den Rest des Gases auszustoßen.
Die Forscher errechneten, dass die Atmosphäre der Venus nur etwas massiver als die der Erde beginnen müsste, damit kleine Impaktoren die erste Hälfte der Erdatmosphäre erodieren und die Venus intakt bleiben. Von diesem Punkt an beschreibt Schlichting das Phänomen als „außer Kontrolle geratenen Prozess - sobald Sie es geschafft haben, die erste Hälfte loszuwerden, ist die zweite Hälfte noch einfacher.“
Dies warf eine weitere wichtige Frage auf: Was ersetzte schließlich die Erdatmosphäre? Bei weiteren Berechnungen stellten Schlichting und ihr Team die gleichen Impaktoren fest, durch die ausgestoßenes Gas möglicherweise auch neue Gase oder flüchtige Stoffe eingeführt hat.
„Wenn ein Aufprall auftritt, schmilzt er das Planetesimal und seine flüchtigen Stoffe können in die Atmosphäre gelangen“, sagt Schlichting. "Sie können nicht nur einen Teil der Atmosphäre erschöpfen, sondern wieder auffüllen."
Die Gruppe berechnete die Menge an flüchtigen Stoffen, die von einem Gestein einer bestimmten Zusammensetzung und Masse freigesetzt werden können, und stellte fest, dass ein erheblicher Teil der Atmosphäre durch den Aufprall von Zehntausenden von Weltraumgesteinen wieder aufgefüllt wurde.
„Unsere Zahlen sind realistisch, wenn man bedenkt, was wir über den flüchtigen Gehalt der verschiedenen Gesteine wissen“, stellt Schlichting fest.
Jay Melosh, Professor für Erd-, Atmosphären- und Planetenwissenschaften an der Purdue University, sagt, Schlichtings Schlussfolgerung sei überraschend, da die meisten Wissenschaftler angenommen haben, dass die Erdatmosphäre durch einen einzigen riesigen Aufprall ausgelöscht wurde. Andere Theorien, sagt er, rufen einen starken Fluss ultravioletter Strahlung von der Sonne sowie einen „ungewöhnlich aktiven Sonnenwind“ hervor.
"Wie die Erde ihre ursprüngliche Atmosphäre verlor, war ein langjähriges Problem, und dieses Papier trägt wesentlich zur Lösung dieses Rätsels bei", sagt Melosh, der nicht zur Forschung beigetragen hat. "Ungefähr zu dieser Zeit begann das Leben auf der Erde. Die Beantwortung der Frage, wie die Atmosphäre verloren gegangen ist, sagt uns, was den Ursprung des Lebens ausgelöst haben könnte."
Schlichting hofft, in Zukunft die Bedingungen für die frühe Entstehung der Erde genauer untersuchen zu können, einschließlich des Zusammenspiels zwischen der Freisetzung flüchtiger Stoffe aus kleinen Impaktoren und dem alten Magma-Ozean der Erde.
„Wir wollen diese geophysikalischen Prozesse miteinander verbinden, um die wahrscheinlichste Zusammensetzung der Atmosphäre zum Zeitpunkt Null zu bestimmen, als sich die Erde gerade gebildet hat, und hoffentlich Bedingungen für die Entwicklung des Lebens identifizieren“, sagt Schlichting.
Schlichting und ihre Kollegen haben ihre Ergebnisse in der Februar-Ausgabe der Zeitschrift Icarus veröffentlicht.
