Neue Forschungen liefern mögliche Einblicke in die Entstehung der Erde

Eine neue Studie, die von Wissenschaftlern der University of New Mexico durchgeführt wurde, fand heraus, dass altes, ursprüngliches Helium-3 aus dem Erdkern austritt, was darauf hindeutet, dass sich der Planet in einem Sonnennebel gebildet hat, was weitere Debatten unter Wissenschaftlern auslöste.

Jedes Jahr entweichen etwa 2 kg des seltenen Isotopengases Helium-3 aus dem Erdinneren, hauptsächlich entlang des mittelozeanischen Rückensystems, einer Reihe von Unterwasservulkanen rund um den Globus. Helium-3 ist ursprünglich, kurz nach dem Urknall entstanden und bei der Entstehung der Erde aus dem Sonnennebel gewonnen. Geochemische Beweise deuten darauf hin, dass die Erde tiefe Reservoirs von Helium-3 hat, aber ihre Standorte und Häufigkeiten sind ungewiss.

Der Heliumbestand der Erde besteht aus zwei stabilen Isotopen, dem häufiger vorkommenden Helium-4 und dem seltenen Helium-3. Im Gegensatz zu terrestrischem Helium-4, das hauptsächlich durch den Zerfall von Uran und Thorium entsteht, ist terrestrisches Helium-3 größtenteils urzeitlichen Ursprungs, wurde nach dem Urknall synthetisiert und vor allem während seiner Entstehung in die Erde eingebaut.

Nun implizieren wissenschaftliche Modelle des flüchtigen Austauschs während der Entstehung und Entwicklung der Erde den metallischen Kern als undichtes Reservoir, das den Rest der Erde mit Helium-3 versorgt. Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass andere flüchtige Stoffe aus dem Kern in den Mantel austreten könnten. Helium-3 entsteht hauptsächlich in Nebeln, einer riesigen Wolke aus Staub und anderen Grundelementen wie Wasserstoff und anderen ionisierten Gasen. Als eines der frühesten im Universum produzierten Elemente wurde das meiste Helium-3 während der Anfangsphase des Urknalls erzeugt.

„Helium-3 wurde sehr früh in der Geschichte des Universums synthetisiert, sehr früh, das heißt innerhalb weniger Sekunden nach dem Urknall“, sagte Peter Olson, Geophysiker der UNM und Hauptautor des Artikels „Primordial Helium-3 Exchange Between Earth’s Core and Mantle“, kürzlich in der Zeitschrift American Geophysical Union veröffentlicht Geochemie, Geophysik, Geosysteme. „Diese Studie hilft, den Kern als Quelle des Lecks und nicht den Mantel zu identifizieren. Er ist mehr als 13 Milliarden Jahre alt und es wird gemessen, dass er aus dem Erdinneren kommt, und der Ort, an dem er anscheinend am schnellsten leckt, ist der mittlere Ozean Ridge Spreading Centers: Dies sind die Plattengrenzen, an denen neue Ozeankruste entsteht.

„Zwei Dinge sind wichtig, auch wenn es nur eine kleine Menge ist. Erstens ist es erst kürzlich dort angekommen. Es ist ein ursprüngliches Element und einige der Orte, an denen es austritt, stehen im Zusammenhang mit dem Kern. Zum Beispiel die Quelle von Die Laven, aus denen Hawaii und Island bestehen, stammen vermutlich von Federn, die durch den Mantel aus der Kern-Mantel-Grenzregion aufsteigen.Der Heliumverlust der Erde ist global. Er findet nicht nur an wenigen Stellen statt, sondern konzentriert sich auf die Ausbreitung Zentren an den mittelozeanischen Rücken. Diese Ausbreitungszentren sind global und bedecken die gesamte Erde. Helium tritt auch aus anderen Umgebungen aus. Es ist also global und es kommt aus der Tiefe der Erde, und das sind zwei Schlussfolgerungen, die es sind wirklich solide, denke ich.“

Die Studie, an der auch Zach Sharp, ein Geochemiker der UNM in der Abteilung für Erd- und Planetenwissenschaften, beteiligt war, umfasste zwei Aspekte als Teil des Modellierungsprozesses – erstens, wie Helium-3 zunächst in die Tiefe der Erde gelangte, den Erfassungsprozess, und zweitens, wie es herauskommt. Frühere Studien haben gezeigt, wie Helium-3 hineinkommt, aber keine hat beides getan, Helium-3 beschafft und den Prozess, es herauszubekommen. Beides sind grundlegend unterschiedliche Mechanismen und treten in unterschiedlichen Zeitskalen der Erdgeschichte auf.

„Der Akquisitionsprozess oder das Gas, aus dem das Sonnensystem besteht, ist eigentlich das Gas, aus dem Sonne, Jupiter und Saturn bestehen, und besteht zu etwa 15 Prozent aus Helium“, sagte Olson. „Es ist das zweithäufigste Element in diesen Körpern (nach Wasserstoff), was es zum zweithäufigsten Element im Sonnensystem macht. Der naheliegende Weg, viel Helium-3 in die Erde einzubauen, besteht darin, die Erde zu bauen während Der Sonnennebel war an Ort und Stelle, um ihn herum. Wenn die Erde von Nebelgas umhüllt war und die Erdoberfläche geschmolzen ist, kann sich das Gas in der geschmolzenen Erde auflösen, während sie sich bildet, weil sich Gase leicht in Schmelzen auflösen.

„Es gibt viele kleine Kometen oder kleine Kieselsteine, die wir Schneebälle innerhalb des Sonnennebels nennen, die einfach aufgrund der Anziehungskraft der Sonne langsam auf die Sonne zufallen“, sagte Sharp. „Das ist eine physikalische Gewissheit – es muss passieren. Nun, wenn Sie Planetenkörper haben, die noch nicht vollständig ausgewachsen sind, und die Kieselsteine ​​​​in Richtung Sonne kommen, dann wird ein erheblicher Teil der Kieselsteine ​​von der Schwerkraft eingefangen die wachsende Erde. Sie können durch diesen Prozess in 2 Millionen Jahren etwas von der Größe der Erde herstellen, während frühere Modelle mehr als 10 Millionen Jahre benötigten, um einen Körper von der Größe der Erde herzustellen.

Die Wissenschaftler verwendeten ein Modell, das aus einer Nebelatmosphäre bestand, die aus der gleichen Zusammensetzung wie der Sonnennebel besteht, und aus dem Eingasen dieses Materials in die Schmelze, die die Umgebung bereitstellt, die erforderlich ist, um das Helium von Mantel und Kern abzutrennen.

„Man findet sehr schnell heraus, dass die Oberfläche unter diesen Bedingungen so heiß wäre, dass es ein Magmaozean wäre, genau die Umgebung, in der man Heliumverluste auflösen könnte“, sagte Olson. „Das bringt das Helium in die Erde, aber nicht in den Kern, dafür muss man es in dem Eisen auflösen, das den Kern bildet. Es gab Labormessungen, die die Löslichkeit von Helium in freien Metallen wie geschmolzenem Eisen messen. Dies gab uns eine Schätzung, wie viel Helium Sie im Kern auflösen könnten, als sich die Erde bildete. Das ist der Modellierungsprozess für den ersten Schritt, der uns sagte, dass Sie ein oder mehrere Petagramm (1.000.000.000.000.000 Gramm) Helium-3 in den Kern bekommen dieser Weg.“

„Es ist sehr schön, wohin wir damit gehen. Die Frage ist:“ Wie bekommen wir so viel Helium in den Mantel? Dies war immer ein Problem, das nie vollständig angegangen wurde“, sagte Sharp. „Es war wie, ja, es ist da drin, und vielleicht kam es von diesen späten Kometen oder Asteroiden, aber das Problem ist, dass Helium nicht dicht ist. Es will an der Oberfläche „schwimmen“. Es ist, als würde man einen Wasserball nehmen und versuchen, ihn auf den Grund eines Schwimmbeckens zu drücken. Es wird wieder auftauchen. Wie kann man Helium bis in den tiefen Mantel bringen? Es ist wirklich ein Problem.

„Es wird im Allgemeinen nicht im Fall der Idee der Nebeleingasung diskutiert, aber 15 Prozent des Nebels sind Helium. Der größte Teil des Rests ist Wasserstoff, also los geht’s, das ist der Großteil des Nebelgases. Wenn Sie das haben Hochdruck, genau wie das CO2, das sich in einer Dose Soda in Ihrem Wasser auflöst, wird sich das Helium bis ins Innere des Planeten auflösen.

Der zweite Schritt in diesem Prozess ist knifflig, weil Sie den Mantel von Helium-3 abbauen müssen, bevor es aus dem Kern austritt. Zahlreiche Studien haben angenommen, dass Helium aus dem Erdmantel verloren ging, als sich die Erde nach dem „Giant Impact“ verfestigte. Der Giant Impact ist die vermutete Entstehung des Mondes während einer Kollision zwischen der Proto-Erde und einem großen Planeten von der Größe des Mars.

„Der Giant Impact war ein so störendes Ereignis, dass der Erdmantel viele seiner Gase verloren hätte, einschließlich seines Heliums drei. Das ist ein entscheidender Schritt, denn sonst würde der Kern kein Helium austreten“, sagte Olson. „Sobald diese beiden vorhanden waren, war der von uns modellierte Prozess des Leckens nur eine gewöhnliche Diffusion plus Konvektion im Erdmantel, die die Plattentektonik antreibt. Das würde Mantelmaterial nach unten zur Kern-Mantel-Grenze transportieren, wo es Helium mitreißen würde. 3 aus dem Kern und transportieren es zurück an die Oberfläche an den Ozeankämmen und vulkanischen Hotspots und vielleicht zum Beispiel am Rio Grande Rift hier in New Mexico.

„Die Menge an austretendem Helium liegt ungefähr bei vier Pfund pro Jahr, vielleicht genug, um 50 Ballons zu füllen, je nach Größe der Ballons“, sagte Sharp. „Es ist nicht viel, aber die Tatsache, dass es die ganze Zeit aus der Erde kommt, mit der Idee, dass der Kern eine wichtige Quelle ist, ist alles lebensfähig. Niemand kümmert sich darum, dass ein bisschen Helium aus der Erde in den Weltraum austritt , aber wir glauben, dass es ein Fingerabdruck für wichtige frühe Ereignisse in der Geschichte unseres Planeten ist. Es ist ein Beweis dafür, dass die Idee der Nebeleingasung gültig ist. Wenn das Helium später von Asteroiden und Kometen geliefert wurde, die Millionen von Jahren nach der Entstehung der Erde auf die Erde einschlugen, würden wir es tun Erwarten Sie nicht, so viel Helium im tiefen Mantel und Kern zu sehen. Es ist im Wesentlichen ein Stellvertreter für die Lieferung von lebensspendendem Wasser an die Erde. Es stellt einen Mechanismus zur Verfügung, um einen bewohnbaren Planeten zu schaffen.