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Unser sandgestrahlter Planet
Häufige Kollisionen zur Zeit ihrer Entstehung prägten die atomare Zusammensetzung der Erde
Schon seit geraumer Zeit bereitet die Zusammensetzung des Gesteins auf unserer Erde den Planetenforschern Kopfzerbrechen. Vergleicht man die Häufigkeit, mit der bestimmte Typen von Atomen in der Erdkruste vorkommen mit der Verteilung derselben Atomsorten bei Asteroiden, so treten seltsame Diskrepanzen auf. Das ist insofern verwunderlich, als sich doch die Erde und die kleinen Himmelskörper aus demselben Ursprungsmaterial gebildet haben, als unser Sonnensystem noch jung war. Nun gibt es bestimmte Arten von Asteroiden oder Kometen, die die ursprüngliche Zusammensetzung an Elementen zur Zeit der Entstehung unseres Sonnensystems sehr gut konserviert haben. Durch den Vergleich irdischen Materials mit verschiedenen Meteoriten solchen Typs hat ein internationales Forscherteam nun starke Indizien dafür gefunden, warum bestimmte Atomsorten auf der Erde häufiger auftreten als andere: Heftige Kollisionen bei der Entstehung der Erde haben immer wieder die Kruste der Erde und ihrer Vorläuferkörper pulverisiert und massiv »sandgestrahlt«. Das berichten die Forscher im Fachjournal »Science«.
Das wirft auch Licht auf die immer noch nur schlecht verstandene Phase der Planetenentstehung, die sehr rasch bei der Bildung unseres Sonnensystems stattgefunden hat. Während der Hauptteil der kontrahierenden Gasmassen in der Sonne gelandet ist, haben sich in der protoplanetaren Gas- und Staubscheibe schnell unzählige kleinere Himmelskörper zusammengeklumpt, die dann schrittweise miteinander kollidiert und zu Asteroiden, Monden und Planeten herangewachsen sind. Zur Geburt eines Planeten waren Hunderttausende Kollisionen kleinerer Körper notwendig. Ein besseres Verständnis der dabei stattfindenden Erosionsprozesse könnte auch helfen, allgemein die Planetenbildung besser zu beschreiben.
Die Forscher um Paul Frossard, der an der Universität Clermont Auvergne in Clermont-Ferrand und an der ETH Zürich arbeitet, haben hierzu die Häufigkeit von mehreren speziellen Isotopen untersucht. Als Isotope bezeichnet man Varianten eines bestimmten Elements, die sich in der Anzahl an Neutronen in ihrem Atomkern unterscheiden. Isotope eines Elements verhalten sich chemisch gleich, weil sie dieselbe Anzahl von Elektronen in ihrer Atomhülle haben. Aber sie unterscheiden sich in ihrer Masse, sodass sie sich mit empfindlichen Geräten wie Massenspektrometern nachweisen lassen.
Isotope verraten Gesteinsherkunft
Frossard und Kollegen haben nun das Isotopenverhältnis des Seltenerdmetalls Neodym mit hoher Genauigkeit bestimmt – einerseits bei irdischem Material und andererseits bei Meteoriten. Hierzu haben sie das Isotop Neodym-142, mit 60 Protonen und 82 Neutronen und das Isotop Neodym-144, mit 60 Protonen und 84 Neutronen untersucht. Diese beiden Isotope kommen natürlicherweise vor, wobei Neodym-142 auch ein Tochterprodukt von Samarium-146 (mit 62 Protonen und 84 Neutronen) ist. Denn Samarium-146 ist ein langlebiges radioaktives Isotop, das mit einer Halbwertszeit von grob 100 Millionen Jahren (der genaue Wert ist umstritten) in das stabile Neodym-142 zerfällt.
Die Kombination dieser Isotope bietet sich für derartige Analysen an, weil Samarium und Neodym chemisch leicht unterschiedliche Eigenschaften haben und sich dadurch geochemische und geophysikalische Prozesse untersuchen lassen. Die Halbwertszeit von Samarium ist lang genug für geologische Prozesse, allerdings kurz gegenüber dem Alter der Erde, sodass es mittlerweile praktisch völlig zerfallen ist. Neodym-144 ist minimal radioaktiv und hat eine extrem hohe Halbwertszeit weit über dem Alter des Universums. Diese Isotope werden deshalb unter anderem in der Geophysik herangezogen, um Prozesse in Erdmantel und -kruste zu untersuchen.
Die Forscher haben das Verhältnis der Neodym-Isotope nun dadurch bestimmt, dass sie im Reinraum Material aus irdischem und aus Meteoritengestein über eine mehrere Tage dauernde Laugung bei Temperaturen über 100 Grad Celsius extrahierten. Dann trennten sie es per Chromatographie von anderen Substanzen und ermittelten schließlich das Isotopenverhältnis mit einem Massenspektrometer.
Wie sich dabei zeigte, besaß irdisches Gestein ein größeres Mengenverhältnis an Neodym-142 gegenüber Neodym-144 im Vergleich zu den Meteoriten. Nachdem die Forscher mithilfe weiterer Messungen andere Erklärungen ausschließen konnten, blieb vor allem eine stichhaltige Erklärung für dieses Verhältnis übrig: Im Gegensatz zu Asteroiden und Kometen, die aus sehr ursprünglichem Material bestehen, hat die Erde – genau wie andere große Himmelskörper – eine geochemische Differenzierung durchgemacht. Die schweren Elemente Eisen und Nickel sind in den Erdkern gesunken. Darüber liegt der Erdmantel, der aus magnesium- und eisenhaltigen Silikaten besteht. Außen liegt die Erdkruste mit ihren leichteren Silikaten.
Erdkrustenmaterial erodierte ins All
Samarium und Neodym sind beides Elemente, die zwar schwer sind, aber wegen ihres chemischen Bindungsverhaltens bevorzugt an Silikate der Erdkruste binden. Woher aber stammt nun der Überschuss an Neodym-142 gegenüber Neodym-144? Nach Ansicht der Forscher hat sich in der Urzeit unseres Planeten das Neodym stärker als das Samarium in der Erdkruste angereichert. Durch die ständige Bombardierung mit kleineren Himmelskörpern wurde das Krustenmaterial aber so häufig pulverisiert und ins All geblasen, dass sich der Neodym-Anteil reduzierte – bis der Meteoritenhagel irgendwann nachließ, weil die Planeten die meisten dieser kleinen Himmelskörper »aufgesaugt« hatten. Das Samarium-146, im Planeteninneren besser geschützt als das Neodym, zerfiel zu Neodym-142 und gelangte im Laufe der Zeit in die Erdkruste. Dadurch erhöhte sich der Anteil an Neodym-142 gegenüber dem Ursprungswert, wie er in uralten Asteroiden vorliegt.
Beim Vergleich der Zahlenverhältnisse sticht ins Auge, dass offensichtlich bis zu 20 Prozent des Materials der jungen Erde durch Kollisionen ins All geblasen wurden – eine massive Erosion der irdischen Oberfläche. Dieses heftige »Sandstrahlen« könnte auch erklären, warum in der Erdkruste andere Elemente wie Uran, Kalium und Thorium deutlich seltener sind als erwartet.
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