Der atmosphärische Druck auf der alten Erde war zwei Mal niedriger als der der modernen • Elena Naimark • Wissenschaftsnachrichten zu den "Elementen" • Geochemie

Der atmosphärische Druck auf der alten Erde war zweimal niedriger als der moderne

Lavaströme fangen Luftbläschen ein und härten atmosphärische Muster für Forscher; und ihre Aufgabe ist es, diese meteorologischen Nachrichten zu entziffern. Fotos von deviantart.com

Spuren von Gasblasen, die von flüssiger Lava aus der Umwelt gefangen wurden, sind in baskischen Archaischen Basaltgesteinen von 2,74 Milliarden Jahren erhalten. Ein internationales Team von Geophysikern, das sich auf die Größe dieser Spuren konzentrierte, berechnete den atmosphärischen Druck auf einem alten Planeten. Es stellte sich heraus, dass es zweimal niedriger war als das moderne. Ein solch niedriger Druck ist laut Wissenschaftlern mit einer geringen Menge Stickstoff in der archeanischen Atmosphäre verbunden. Niedrige atmosphärische Dichte bedeutet, dass die Eigenschaften wichtiger physikalisch-chemischer Prozesse angepasst werden müssen. Außerdem wurde früher angenommen, dass die Erwärmung des Planeten auf eine verstärkte Absorption von Infrarotstrahlung durch eine dichte Atmosphäre zurückzuführen ist. Neue Daten zwingen, diese Hypothese zu überdenken. Der wahrscheinlichste Ersatz ist eine hohe Konzentration von Treibhausgasen, vermutlich Methan.

Es ist schwer vorstellbar, dass ein Thema verlockender, aber weniger zugänglich ist als der Beginn des sterblichen Lebens.Das Hauptproblem ist hier nicht ein Mangel an Ideen, sondern die Seltenheit von verlässlichen materiellen Zeugnissen dieser langen vergangenen Epochen. Wir sprechen von den Archaeen, also von den Zeiten vor 3,8-2,7 Milliarden Jahren. Seitdem hat nur wenig die turbulente Geschichte der Planetentransformationen überlebt. Je wertvoller sind diese harten Fakten, auf deren Grundlage Sie ein Gebäude testbarer Hypothesen aufbauen können. Der neue Informationsblock wurde von Wissenschaftlern der University of Washington gemeinsam mit Kollegen von der University of Western Australia und dem Museum of Nature and Science in Denver (USA) genutzt, um die älteste Atmosphäre der Erde zu rekonstruieren. Ihre Schlussfolgerungen veranlassen uns, das hypothetische Porträt der alten Erde, das wir heute angenommen haben, ernsthaft zu überdenken oder zumindest darüber nachzudenken.

Dieses Team untersucht seit mehreren Jahren archäologische Lagerstätten in der Pilbara-Region in Australien. In diesem Fall arbeiteten sie mit den Gesteinen der Bongal-Formation. Das Alter dieser Lagerstätten wird auf den späten Archaischen geschätzt, also 2,75 Milliarden Jahre alt. Das ist ein ziemlich interessantes Zeitalter: Die Atmosphäre des Planeten ging in dieser Zeit nicht zu weit von seinem Zustand zu Beginn des sterblichen Lebens weg. Zumindest vor Beginn der Sauerstoffrevolution waren es noch 300 Millionen Jahre.

In der Formation des Pilzes gibt es vulkanische Schichten, die sich, wie die Besonderheiten ihrer Struktur zeigen, im Küstengürtel bilden. Für die Geologen bedeutet dies, dass Lavazunge auf der Erdoberfläche gefroren ist und nicht unter der Erde oder unter der Wassersäule auf dem Meeresboden und auf Null Höhe über dem Meeresspiegel, und nicht auf dem kilometerlangen Vulkankrater. Gerade solche Gebiete uralter Landschaften haben Wissenschaftler gewählt, um das Problem der Messung des atmosphärischen Drucks zu lösen. Mit anderen unbekannten Parametern – zweifelhaft rekonstruierte überlagernde Schichten von terrestrischem Gestein oder die Tiefe des Ozeans oder Höhe über dem Meeresspiegel – wäre das Problem bestenfalls mit einer großen Toleranz gelöst, würde aber überhaupt nicht gelöst werden. Für ausgewählte Paläolandschaften könnten diese Faktoren vernachlässigt werden.

Die materielle Basis für die Rekonstruktion waren Spuren von Gasblasen, die durch Lavaströme aus der Atmosphäre während des Gefrierens eingeschlossen wurden. Natürlich blieb in diesen Blasen für Milliarden von Jahren praktisch nichts von der Atmosphäre übrig. Sie wurden durch Elemente des Stammgesteins und Sekundärmineralien ersetzt, die zu Flecken mit unterschiedlicher Farbe, Zusammensetzung und Textur wurden.Aber gleichzeitig blieb ihre runde Form unverändert. Wenn der Fels selbst oder aus dem einen oder anderen Grund verformt würde, würden die Blasen abflachen und Mikrorisse würden auftreten. Und da es weder das eine noch das andere gibt, bedeutet dies, dass sich die Größe der Blasenflecken im Laufe der langen Geschichte der Gesteinsveränderungen nicht verändert hat. Daher ist es basierend auf der Größe der Flecken möglich, den Druck zu berechnen, bei dem sie gebildet wurden. Die Größe der Blasen auf der Oberfläche der Lava wird nur durch den atmosphärischen Druck gesteuert, und mit zunehmender Tiefe des Lavastroms wird der Druck des Lavamaterials selbst dem atmosphärischen Druck hinzugefügt. Blasen sind an der Oberfläche größer, niedriger – niedriger. Wenn man den Unterschied in der Größe der Blasen in verschiedenen Tiefen und die Parameter eines vulkanischen Materials kennt, das den Druck in der Dicke des Stroms bestimmt, ist es möglich, den atmosphärischen Druck abzuschätzen. Diese Methode wurde bereits erfolgreich getestet, um den atmosphärischen Druck in verschiedenen Höhen über dem Meeresspiegel für jüngere vulkanische Lagerstätten in der Türkei und in China zu messen.

Spuren von Gasblasen in der basaltischen Formation der Pilzformation. Pfeil zeigt auf der Spur mit konzentrischen Kreisen,Bestätigung der allmählichen und späteren Füllung der Blase. Die Form der Spuren ist rund und es gibt keine Risse um die Blasen herum. Skalierungslänge 1 cm Fotos aus dem besprochenen Artikel in Natur

Also, hier ist die Größe der Blasen in verschiedenen Schichten von vulkanischem Basalt, hier sind die Kapazitäten der vulkanischen Schichten mit Blasen, hier ist die Dichte der geschmolzenen Basalt. Aus diesen Daten wird der Druck der antiken Atmosphäre leicht berechnet: 0,23 ± 0,23 atm. Es ist nicht einfach, die Zuverlässigkeit solcher niedriger Werte zu beurteilen. Aber die Wissenschaftler verwiesen auf ihre früheren Schlussfolgerungen (SM Som et al., 2012. Luftdichte vor 2,7 Milliarden Jahren, begrenzt auf weniger als das Doppelte der fossilen Regentropfenabdrücke). gleiche archaische Schichten. Mit einer bekannten romantischen Stimmung kann man sich vorstellen, wie in einem windstillen Regen Tropfen auf schwarze Asche fallen, sie mit Pockennarben von nassen Löchern bedecken, die Luft riecht nach Ammoniak, die Methan-Stille wird durch einen schrillen Tropfen unterbrochen. Dieser alte Tiefdruck, der durch feine Staubschichten verschlossen war, ist für immer in dem Stein aufbewahrt, der an die Erinnerung an diesen Regen erinnert.

Aber die trockenen physikalischen Berechnungen lassen das Erstaunen vor dem Naturwunder hinter sich und berücksichtigen nur die Tiefe der Löcher von diesen Regentropfen.Sie können gemessen werden und aus diesen Messungen die Geschwindigkeit der fallenden Tropfen abschätzen und diese Geschwindigkeit kennen lernen, um die Dichte der Atmosphäre zu erreichen. Die Regentropfen ergaben Drücke in der Größenordnung von 0,52-1,1 atm, wobei die Wahrscheinlichkeit, dass Wissenschaftler eine niedrigere Schätzung von 0,52 atm sehen, eher als eine obere Schätzung von 1,1 atm ist. Unter Berücksichtigung der vorherigen und neuen Daten wurde ein Wert von 0,5 atm für die Atmosphäre des Spätarchaischen angenommen. Niedriger atmosphärischer Druck aufgrund des wesentlich geringeren Stickstoffgehalts. In Abwesenheit von Sauerstoffverwitterung magmatischer Gesteine ​​sollte seine Menge mindestens halb so hoch sein wie in der modernen Atmosphäre. Vermutlich war Stickstoff in der Atmosphäre als Ammoniak und Cyanidverbindungen vorhanden.

Was gibt einen so niedrigen atmosphärischen Druck für Rekonstruktionen anderer vermittelter Zustände auf der ältesten Erde? Es ist bekannt, dass zu dieser Zeit kein Wasser auf dem Planeten strömte, es gab keine Vergletscherung. Mit einer geringen Lumineszenz der Sonne – und es war dann etwa 20% blasser als die moderne – sollten einige Bedingungen Hitzespeicherung gegeben haben. Es wurde angenommen, dass solche Heizungen als eine dichte Atmosphäre dienen könnten, die Infrarotstrahlung absorbiert, und einen hohen Gehalt an Kohlendioxid, der den Treibhauseffekt bereitstellt.Aber wenn die Atmosphäre aus dieser Liste gelöscht wird, dann bleibt nur Kohlendioxid übrig. Und sein Anteil in der Atmosphäre war, den verfügbaren Daten zufolge, nicht so hoch, um eine angemessene Erwärmung des Planeten aufrechtzuerhalten. Dies bedeutet, dass die Hauptrolle in diesem Prozess anderen Treibhausgasen, zum Beispiel Methan, gehört.

Niedriger atmosphärischer Druck lässt außerdem darauf schließen, dass Wasser bei einer wesentlich niedrigeren Temperatur – 58 ° C – kocht. Dies bedeutet, dass sich die Geschwindigkeit und Richtung chemischer Prozesse von modernen unterscheiden. Die photochemische Reaktionsgeschwindigkeit der Schwefelisotopfraktionierung war ebenfalls unterschiedlich (siehe Massenunabhängige Fraktionierung), die unter der Einwirkung von ultravioletter Strahlung auftritt. Aller Wahrscheinlichkeit nach sind neue Berechnungen der massenunabhängigen Fraktionierung mit korrigierten atmosphärischen Parametern erforderlich. Schließlich basieren viele der Überlegungen über die klimatischen Bedingungen und das Leben auf dem alten Planeten auf ihnen.

Quellen:
1) Sanjoy M. Som, Roger Buick, James W. Hagadorn, Tim S. Blake, John M. Perreault, Jelte P. Harnmeijer und David C. Catling. Der Luftdruck der Erde vor 2,7 Milliarden Jahren war auf weniger als die Hälfte der heutigen Niveaus beschränkt // Naturgeowissenschaften. Online veröffentlicht am 09. Mai 2016. DOI: 10.1038 / ngeo2713.
2) Sanjoy M. Som, David C. Catling, Jelte P. Harnmeijer, Peter M. Polivka, Roger Buick. Luftdichte vor 2,7 Milliarden Jahren Regentropfenabdrücke // Natur. 2012. V. 484. P. 359-362. DOI: 10.1038 / Natur10890.

Elena Naimark


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