Magmaozeane voller Eisen
Warum ist der Mars außen verrostet und die Erde hat stattdessen einen Eisenkern?
Vieles an der Entstehung der Planeten ist noch rätselhaft. Jetzt sind Forscher der Frage nachgegangen, warum die Verteilung von Eisen auf dem Mars so unterschiedlich von der unter der Erdoberfläche ist. Mars hat zweimal so viel Eisen in seinen äußeren Schichten, deswegen schimmert er so rostig in Rot.
Vor 4,6 Milliarden Jahren entstand unser Sonnensystem. Gas und Staub verklumpten sich rund um die Sonne zu Objekten. Die jungen Planeten waren unwirtliche Orte. Kaum hatten sich Erde und Mars zu Gesteinsbrocken verfestigt, begann der große Meteoritenschauer (Meteoritenschauer in die Kinderstube der Erde). Das intensive Bombardement, radioaktiver Zerfall und die sich erhöhende Verdichtung sorgten dafür, dass sich die felsige Oberfläche erhitzte und schließlich verflüssigte. Magma-Ozeane entstanden, in denen das schwere Eisen nach unten sank.
So weit war die Kinderzeit der Erde den Astronomen schon lange klar. Aber wie kam es zur Verteilung der Elemente unter der Erdkruste, die vergleichsweise so dünn wie eine Apfelschale den Erdkern und -mantel umspannt (Schematischer Aufbau der Erde)? Der Kern ist sehr eisenreich, im Mantel dominieren dagegen die Silikate.
Mit Hochdruck zum Kern
David C. Rubie, Christine K. Gessmann und Daniel J. Frost arbeiten am Bayerischen Geoinstitut an der Universität Bayreuth, das bereits in jüngster Vergangenheit mit seiner Forschung über unterschiedliche Oxidationszuständen von Eisen im Erdmantel Aufsehen erregte (Neue Erkenntnissen über die Eisenverteilung und den Sauerstoffgehalt im Erdmantel). Das Team um Rubie hat sich nun erneut mit der Sauerstoffverteilung während der Kernbildung beschäftigt und veröffentlicht seine Resultate jetzt im Wissenschaftsmagazin Nature.
Mit neuen Hochdruckdruckexperimenten im Labor gelang den Forschern der Nachweis, dass der Druck eine wichtige Rolle gespielt hat. Der Mars hat deswegen noch sehr viel mehr Eisen nahe an seiner Oberfläche, weil er wesentlich kleiner ist als die Erde und deshalb sein Ozean aus geschmolzenem Gestein lange nicht so tief war, obwohl er anfänglich aus der gleichen Materie bestand, die reich an Eisenoxiden war.
Die Bayreuther Gruppe berechnete, dass die glühende und flüssige Gesteinsschmelze auf der Erde 3500 Kelvin (3225 Grad Celsius) heiß gewesen sein muss und bis zu einer Tiefe von 1800 Kilometern vor sich hin brodelte. Darunter lag der Mantel und der Kern aus flüssigem Eisen. Diese Bedingungen hätten ausgereicht, um Eisenoxid aus dem Mantel herauszulösen und den großen Eisenkern der Erde zu formen sowie in den äußeren Schalen unseres Planeten einen durchschnittlichen Anteil an Eisenoxid von nur acht Prozent zurückzulassen. Genau das ist heute der Fall.
Die Geowissenschaftler pressten eine Probe aus Eisen, Nickel und Sauerstoff mit einem Druck von mehr als 175.000 Atmosphären (eine Atmosphäre entspricht dem normalen Luftdruck oder 1,01325 bar) bei einer Temperatur von 2400 Kelvin (2125 Grad Celsius), um dem Verhalten der Materialien unter den Bedingungen der frühen Erde auf die Spur zu kommen.
Die Ergebnisse lassen vermuten, dass aufgrund des höheren Drucks im irdischen Magmaozean das flüssige Gestein sich stärker aufheizte und dadurch ein größerer Sauerstoffanteil in gelöster Form in den Erdkern überführt wurde als im Mars. Dadurch verblieb im Erdmantel weniger Eisenoxid als im Marsmantel. Folglich entstand in der Erde ein deutlich größerer Eisenkern als im Mars.
Heute besitzen Erde und Mars beide einen Kern aus eisenreichem Metall, nur die Verteilung ist verschieden. Mars hat nur ein Zehntel der Masse unseres Planeten und der Druck in seinem Inneren beträgt im Vergleich nur ein Drittel. Er enthält in seinen äußeren Schichten 18 Prozent Eisenoxid – und das entspricht genau den Berechnungen des Teams. "Unser Modell zeigt, dass die Planeten aus dem gleichen Material entstanden sein können und sich dann verschieden bis zu ihrer heutigen Zusammensetzung und inneren Struktur entwickelt haben," meint David Rubie.
Zweifel bleiben
In ihrem begleitenden News&Views-Artikel weist Carl B. Agee von der University of New Mexico darauf hin, dass Erde und Mars tatsächlich aus verschiedenen geochemischen Zutaten des frühen Sonnensystems entstanden sein könnten. Auch die Entwicklung könnte sehr unterschiedlich verlaufen sein. Noch wissen wir wenig über den Mars, denn die Untersuchungen seines Gesteins beziehen sich bisher auf nur 25 Meteoriten. Die neuen Mars-Missionen werden dazu beitragen, mehr gesicherte Fakten über den roten Planeten zur Verfügung zu haben.
Ebenso gibt es auch alternative Theorien zur Kernbildung in unserem eigenen Planeten beziehungsweise seiner Entwicklung, die noch eine Chance haben, ihre Relevanz zu beweisen (Neue Einsichten zur Entstehung der Erde: Kern zu Kern).