Die Erde ist der einzige Planet, von dem wir wissen, dass er Leben enthält. Ist unser Planet etwas Besonderes? Wissenschaftler haben im Laufe der Jahre darüber nachgedacht, welche Faktoren für das Leben wichtig oder förderlich sind. Die Antworten werden uns helfen, andere potenziell bewohnte Planeten in der Galaxie zu finden.
Um zu verstehen, wie die Bedingungen in der Frühzeit der Erde waren, haben unsere Forscher versucht, das chemische Gleichgewicht des kochenden Magma-Ozeans nachzubilden, der den Planeten vor Milliarden von Jahren bedeckte, und Experimente durchgeführt, um herauszufinden, welche Art von Atmosphäre er erzeugt hätte. In Zusammenarbeit mit Kollegen in Frankreich und den Vereinigten Staaten fanden wir heraus, dass die erste Atmosphäre der Erde wahrscheinlich eine dicke, unwirtliche Suppe aus Kohlendioxid und Stickstoff war, ähnlich der, die wir heute auf der Venus sehen.
Wie die Erde ihre erste Atmosphäre bekam
Ein Gesteinsplanet wie die Erde entsteht durch einen Prozess, der „Akkretion“ genannt wird und bei dem sich anfänglich kleine Partikel unter der Anziehungskraft der Schwerkraft zu immer größeren Körpern zusammenballen. Die kleineren Körper, „Planetesimale“ genannt, sehen aus wie Asteroiden, und die nächsthöhere Größe sind „Planetenembryos“. Im frühen Sonnensystem mag es viele Planetenembryos gegeben haben, aber der einzige, der noch überlebt hat, ist der Mars, der kein vollwertiger Planet wie die Erde oder die Venus ist.
In den späten Phasen der Akkretion kommt es zu gigantischen Einschlägen, die enorme Energiemengen freisetzen. Wir glauben, dass der letzte Einschlag in der Akkretionsphase der Erde darin bestand, dass ein marsgroßer Embryo auf die wachsende Erde traf, unseren Mond abspaltete und das meiste oder alles, was übrig blieb, schmolz.
Der Einschlag hätte die Erde mit einem globalen Meer aus geschmolzenem Gestein, einem so genannten „Magmaozean“, bedeckt. Aus dem Magmaozean wären Wasserstoff-, Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Stickstoffgase ausgetreten, um die erste Atmosphäre der Erde zu bilden.
Wie die erste Atmosphäre aussah
Wir wollten genau wissen, was für eine Atmosphäre das gewesen wäre und wie sie sich verändert hätte, als sie und der Magmaozean unter ihr abkühlten. Entscheidend ist, was mit dem Element Sauerstoff geschah, denn es steuert, wie sich die anderen Elemente verbinden.
Wenn es wenig Sauerstoff gegeben hätte, wäre die Atmosphäre reich an Wasserstoff (H₂), Ammoniak (NH₃) und Kohlenmonoxid (CO) gewesen. Mit reichlich Sauerstoff hätte sie aus einer viel freundlicheren Mischung von Gasen bestanden: Kohlendioxid (CO₂), Wasserdampf (H₂O) und molekularem Stickstoff (N₂).
So mussten wir die Chemie des Sauerstoffs im Magma-Ozean berechnen. Der Schlüssel dazu war, zu bestimmen, wie viel Sauerstoff chemisch an das Element Eisen gebunden war. Wenn viel Sauerstoff vorhanden ist, verbindet er sich mit Eisen im Verhältnis 3:2, wenn weniger Sauerstoff vorhanden ist, ist das Verhältnis 1:1. Das tatsächliche Verhältnis kann zwischen diesen beiden Extremen schwanken.
Als der Magma-Ozean schließlich abkühlte, wurde er zum Erdmantel (die Gesteinsschicht unter der Kruste des Planeten). Wir gingen also davon aus, dass die Sauerstoff-Eisen-Bindungsverhältnisse im Magmaozean die gleichen gewesen wären wie heute im Erdmantel.
Wir haben viele Proben des Erdmantels, von denen einige durch Vulkanausbrüche und andere durch tektonische Prozesse an die Oberfläche gebracht wurden. Anhand dieser Proben konnten wir herausfinden, wie wir im Labor eine passende Mischung von Chemikalien zusammenstellen können.
Im Labor
Wir stellten fest, dass diese Atmosphäre aus CO₂ und H₂O bestand. Stickstoff wäre in seiner elementaren Form (N₂) und nicht als giftiges Gas Ammoniak (NH₃) vorhanden gewesen.
Aber was wäre passiert, wenn der Magma-Ozean abgekühlt wäre? Es scheint, dass sich die frühe Erde so weit abgekühlt hat, dass der Wasserdampf aus der Atmosphäre kondensierte und Ozeane aus flüssigem Wasser bildete, wie wir sie heute sehen. Zurück bliebe eine Atmosphäre mit 97 % CO₂ und 3 % N₂ bei einem Gesamtdruck, der etwa 70-mal so hoch ist wie der heutige Atmosphärendruck. Das ist der Treibhauseffekt! Aber die Sonne war damals weniger als drei Viertel so hell wie heute.
Wie die Erde das Schicksal der Venus vermieden hat
Dieses Verhältnis von CO₂ zu N₂ ähnelt verblüffend der gegenwärtigen Atmosphäre der Venus. Warum also hat die Venus, aber nicht die Erde, die höllisch heiße und giftige Umgebung, die wir heute beobachten, beibehalten?
Die Antwort ist, dass die Venus zu nahe an der Sonne war. Sie hat sich einfach nie genug abgekühlt, um Wasserozeane zu bilden. Stattdessen blieb das H₂O in der Atmosphäre als Wasserdampf und ging langsam, aber unaufhaltsam ins All verloren.
Auf der frühen Erde zogen die Wasserozeane stattdessen langsam, aber stetig CO₂ aus der Atmosphäre ab, indem sie mit Gestein reagierten – eine Reaktion, die in der Wissenschaft seit 70 Jahren als „Urey-Reaktion“ bekannt ist, nach dem Nobelpreisträger, der sie entdeckte – und den Atmosphärendruck auf den heutigen Wert reduzierte.
Obwohl also beide Planeten fast identisch begannen, haben sie sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Entfernung von der Sonne auf unterschiedliche Pfade begeben. Die Erde wurde lebensfreundlicher, während die Venus immer unwirtlicher wurde.