Dünne Atmosphäre vor drei Milliarden Jahren

Vor gut drei Milliarden Jahren gab es keinen Sauer­stoff in der Erd­atmosphäre, nur Einzeller konnten existieren. Zudem rotierte der Planet deutlich schneller als heute, die Sonnen­einstrahlung war um ein Fünftel schwächer und der näher stehende Mond verursachte höhere Tiden. Zudem war der Luft­druck höchstens halb so hoch wie heute. Zu diesem Ergebnis kommt nun eine Gruppe australischer und amerikanischer Geo­wissenschaftler, die fossile Gas­einschlüsse in Lavagestein analysiert haben. Mit dieser Entdeckung widersprechen sie der bisherigen Annahme einer dichteren Atmosphäre in dieser frühen Epoche der Erdgeschichte.

Um den Luftdruck in der Früh­geschichte der Erde bestimmten zu können, nutzten Sanjoy Som vom Blue Marble Space Institute of Science in Seattle und seine australischen Kollegen Gesteins­proben von Lava­strömen. Diese erstarrten in West­australien vor 2,7 Milliarden Jahren im vulkanischen Gebiet Pilbara Craton, als die flüssige Lava ins Meer­wasser floss. Dabei entstanden winzige Blasen, die sich im Laufe der Jahr­millionen mit Mineralen wie Quartz oder Kalzit füllten. Doch Größe und Struktur der Blasen blieben dabei erhalten und lieferten Hinweise auf die damalige Atmosphäre.

Für diese Methode er Paläo­barometrie sind nur Lava­ströme geeignet, die bis zum heutigen Tage von keinen weiteren Ausbrüchen beeeinflusst wurden. Diese Bedingungen erfüllten die Proben, die Som und Kollegen gefunden hatten. Mit einem Röntgen­tomo­graphen durch­leuchteten sie die Proben und konnten die Größe der fossilen Gas­einschlüsse bestimmen. Am oberen Rand des Lava­stroms wurde die Blasen­größe allein durch den damals herrschenden Luft­druck bestimmt. Die Blasen am unteren Rand dagegen fielen wegen des Eigen­gewichts des flüssigen Gesteins geringer aus. Aus der Differenz konnten die Geo­wissenschaftler absolute Luft­druck­werte für die Erd­atmosphäre vor 2,7 Milliarden Jahren bestimmen.

Die Messungen ergaben einen Luftdruck von etwa 230 Millibar, der damit sehr viel schwächer ausgeprägt war als heute. Kombiniert mit früheren Luft­druck­studien konnten Som und Kollegen die Ober­grenze für den maximalen Luft­druck auf etwa 500 Millibar festlegen. Damit wider­sprechen ihre Messungen anderen Theorien, die von einem deutlich höheren Luftdruck als heute ausgingen. So wurden Luft­drücke von 1,6 bis 2,4 bar vorgeschlagen, um ohne nennens­werte Kohlen­dioxid-Anteile einen für das damalige Klima ausreichenden Treib­hauseffekt erklären zu können.

Wegen des geringen Luftdrucks müssen Forscher nun aber andere Erklärungen heranziehen. So könnte eine höhere Methan­konzentration als bisher angenommen in der Atmo­sphäre vorgelegen haben. Genau dies vermuten die Geo­wissenschaftler und werden nach weiteren Indizien für ihre Annahme suchen.

Diese Einblicke in die frühe Atmosphäre sind nicht nur für die Erforschung der Erd­geschichte interessant. Auch für die Beurteilung von Exo­planenten und die Chancen auf Leben spielen sie eine Rolle. „Die frühe Erde ist mit der Erde heute nicht zu vergleichen, sondern eher mit einem Exo­planeten“, sagt Som. „Aber diese Analysen der frühen Erde geben uns eine neue Perspektive für planetare Umwelt­bedingungen, die auch Leben ermöglichten.“

Jan Oliver Löfken

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