Neue Studie in "Science": Kollisionen veränderten die chemische Zusammensetzung der Erde

Vor mehr als 4,56 Milliarden Jahren bildeten sich die ersten kleinen Planeten des Sonnensystems aus Staubwolken, die durch die Kondensation von Gasen entstanden. Diese Asteroiden verschmolzen später zu größeren festen Körpern, den so genannten Protoplaneten, die die Forscher auch als Planetesimale bezeichnen. Diese Planetesimale waren die Bausteine der Erde und anderer terrestrischer Planeten. Um mehr über die chemische Zusammensetzung dieser frühen Himmelskörper zu erfahren, untersuchte Prof. Dr. Audrey Bouvier vom Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth zusammen mit dem ehemaligen Cotutelle-Doktoranden Dr. Paul Frossard und Forschungspartnern in Clermont-Ferrand eine Reihe von chondritischen Meteoriten. Dabei handelt es sich um Gesteinsproben, die wahrscheinlich seit der Frühzeit des Sonnensystems unverändert geblieben sind. Diese Meteoriten ähneln in ihrer chemischen Zusammensetzung wahrscheinlich den frühen primitiven Asteroiden, aus denen sich Planetesimale und die junge Erde entwickelt haben. Die massenspektrometrischen Analysen konzentrierten sich insbesondere auf Neodym (Nd) und Samarium (Sm). Diese Elemente, die zu den Metallen der Seltenen Erden gehören, sind für die geochemische Forschung von besonderem Interesse: Das Isotop ¹⁴⁶Sm ist radioaktiv und zerfällt mit einer für geologische Zeiträume kurzen Halbwertszeit von 103 Millionen Jahren in das Isotop ¹⁴²Nd. Es ist daher in den letzten vier Milliarden Jahren im Sonnensystem verschwunden. Die Forscher bestimmten zunächst, wie der Anteil des Isotops ¹⁴²Nd an den Neodym-Atomen – kurz: die ¹⁴²Nd-Häufigkeit – in den Staubkomponenten verschiedener Chondrite variiert.

Die Ergebnisse der Chondriten-Analysen präzisieren einen rätselhaften Befund, der in der Forschung schon seit längerem diskutiert wird: Die ¹⁴²Nd-Häufigkeit im Erdinneren ist deutlich höher als in den Chondriten. In dieser Hinsicht stimmt die chemische Zusammensetzung der Erde nicht mit der chemischen Zusammensetzung primitiver Asteroiden überein, die sich durch Gravitationskräfte zu Planetesimalen – den Bausteinen der Erde – entwickelten. "Durch die Kombination der Ergebnisse unserer Messungen mit etablierten astrophysikalischen Modellen, die die Entstehung der chemischen Elemente in Sternen beschreiben, konnten wir nun eine plausible Erklärung für die unterschiedliche ¹⁴²Nd-Häufigkeit auf der Erde und in primitiven Asteroiden finden", sagt Prof. Dr. Audrey Bouvier, Mitautorin der neuen Studie.

Ausgangspunkt der neuen Erklärung ist die Verteilung der chemischen Elemente in den frühen Planetesimalen, die sich aus primitiven Asteroiden gebildet haben. Es kam zu einer fortschreitenden Erhitzung und chemischen Differenzierung: Siderophile Elemente, die Eisen an sich binden, konzentrierten sich im Zentrum der Planetesimale, wodurch ein metallischer Kern entstand. Lithophile Elemente hingegen, die eine Affinität zu Silikaten haben, reicherten sich eher in den oberen Schichten – Mantel und Kruste – der Planetesimale an. Dieser Prozess führte zur Bildung von zwei verschiedenen Reservoiren, die sich in ihren Sm- und Nd-Anteilen unterschieden. Im Laufe der Zeit nahm die ¹⁴²Nd-Häufigkeit auf der Erde aufgrund des radioaktiven Zerfalls zu und wurde höher als die ¹⁴²Nd-Häufigkeit in den primitiven Asteroiden. Das Forscherteam in Bayreuth und Clermont-Ferrand schlägt auf der Grundlage seiner Messungen ein sehr klares Szenario vor: Das Planetesimal, das den Vorläufer der frühen Erde bildete, kollidierte im entstehenden Sonnensystem wiederholt mit anderen Planetesimalen. Dabei wurden immer wieder große Mengen an Material aus seiner Kruste herausgesprengt. Gemeinsam kommen die Autor*innen der neuen Studie zu dem Schluss, dass durch Kollisionen mit Planetesimalen etwa vier bis 20 Prozent der Masse der jungen Erde und anderer Planetesimale herausgesprengt wurden.

"Es ist sehr wahrscheinlich, dass auch andere Elemente von dem enormen kollisionsbedingten Materialverlust betroffen waren. Daher stellt sich erneut die Frage, welche Mengen an radioaktiven Elementen wie Uran, Kalium und Thorium heute im Erdinneren vorhanden sind und zu ihrem Wärmehaushalt und ihrer physikalischen Entwicklung beitragen. Darüber hinaus könnte die Annahme, dass Planetesimale in der frühen Phase ihrer Entstehung immer wieder miteinander kollidiert sind, auch aufschlussreich für die chemische Zusammensetzung weiterer Planeten sein – sei es innerhalb oder außerhalb des Sonnensystems", sagt die Bayreuther Kosmochemikerin Prof. Dr. Audrey Bouvier.

Veröffentlichung:
Paul Frossard, Claudine Israel, Audrey Bouvier, Maud Boyet: Earth’s composition was modified by collisional erosion. Science Vol. 377, Issue 6614.
DOI: https://dx.doi.org/10.1126/science.abq7351

Die Studie enthält Forschungsergebnisse, die der Erstautor Dr. Paul Frossard im Rahmen seiner von den Universitäten Bayreuth und Clermont-Ferrand betreuten Doktorarbeit erzielt hat.