Neon im Mantel beleuchtet die Erdformation

Die Erde bildete sich relativ schnell aus der Wolke aus Staub und Gas um die Sonne herum und fängt Wasser und Gase im Mantel des Planeten ein, so die Forschung, die am 5. Dezember in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde. Abgesehen davon, dass sie die Ursprünge der Erde besiedeln, könnte die Arbeit dazu beitragen, extrasolare Systeme zu identifizieren, die bewohnbare Planeten unterstützen könnten.

Anhand von Daten aus den Tiefen der Erde bis ins Weltall zeigten der Davis-Professor Sujoy Mukhopadhyay der University of California und der Postdoc Curtis Williams anhand von Neonisotopen, wie sich der Planet entwickelt hat.

„Wir versuchen zu verstehen, wo und wie das Neon im Erdmantel erworben wurde, was uns sagt, wie schnell sich der Planet gebildet hat und unter welchen Bedingungen“, sagte Williams.

Neon ist wirklich ein Stellvertreter für, wo Gase wie Wasser, Kohlendioxid und Stickstoff von kamen, Williams sagte. Im Gegensatz zu diesen lebenswichtigen Verbindungen ist Neon ein inertes Edelgas, das nicht durch chemische und biologische Prozesse beeinflusst wird.

„So behält Neon auch nach viereinhalb Milliarden Jahren eine Erinnerung daran, woher es kam“, sagte Mukhopadhyay.

Es gibt drei konkurrierende Ideen darüber, wie sich die Erde vor über vier Milliarden Jahren aus einer protoplanetaren Scheibe aus Staub und Gas gebildet hat und wie Wasser und andere Gase an die wachsende Erde geliefert wurden. In der ersten wuchs der Planet relativ schnell über zwei bis fünf Millionen Jahre und fing Gas aus dem Nebel ein, der wirbelnden Wolke aus Staub und Gas, die die junge Sonne umgibt. Die zweite Theorie legt nahe, dass Staubpartikel gebildet und von der Sonne einige Zeit lang bestrahlt wurden, bevor sie sich zu Miniaturobjekten verdichteten, die als Planetesimale bezeichnet werden und anschließend an den wachsenden Planeten geliefert wurden. In der dritten Option bildete sich die Erde relativ langsam und die Gase wurden von kohlenstoffhaltigen Chondritmeteoriten geliefert, die reich an Wasser, Kohlenstoff und Stickstoff sind.

Diese verschiedenen Modelle haben Konsequenzen für das, was die frühe Erde war, sagte Mukhopadhyay. Wenn sich die Erde schnell aus dem Sonnennebel gebildet hätte, hätte sie viel Wasserstoffgas an oder nahe der Oberfläche gehabt. Aber wenn sich die Erde aus kohlenstoffhaltigen Chondriten gebildet hätte, wäre ihr Wasserstoff in der stärker oxidierten Form Wasser entstanden.

Neon vom Meeresboden in den Weltraum

Um herauszufinden, welche der drei konkurrierenden Ideen zur Planetenbildung und Gasversorgung richtig waren, maßen Williams und Mukhopadhyay genau die Verhältnisse der Neonisotope, die bei der Entstehung des Planeten im Erdmantel eingeschlossen waren. Neon hat drei Isotope, neon-20, 21 und 22. Alle drei sind stabil und nicht radioaktiv, aber Neon-21 wird durch den radioaktiven Zerfall von Uran gebildet. So sind die Mengen von Neon-20 und 22 auf der Erde seit der Entstehung des Planeten stabil und werden es für immer bleiben, aber Neon-21 sammelt sich langsam mit der Zeit an. Den drei Szenarien für die Erdbildung wird vorausgesagt, dass sie unterschiedliche Verhältnisse von Neon-20 zu Neon-22 aufweisen.

Am ehesten konnten sie den Mantel erreichen, indem sie sich die Felsen, die sogenannten Kissenbasalte, auf dem Meeresboden ansahen. Diese glasigen Gesteine sind die Überreste von Strömungen aus der Tiefe der Erde, die im Ozean austraten und abkühlten, die später von einer Bohrexpedition unter der Leitung der University of Rhode Island gesammelt werden sollten, die ihre Sammlung anderen Wissenschaftlern zur Verfügung stellt.

Die Gase befinden sich in winzigen Blasen im Basalt. Williams knackte mit einer Presse Basaltspäne in einer geschlossenen Kammer und ließ die Gase in ein empfindliches Massenspektrometer strömen.

Nun zum Raumteil. Frühere Forscher ermittelten das Neonisotopenverhältnis für das Modell „Sonnennebel“ (frühe schnelle Bildung) mit Daten aus der Mission Genesis, die Partikel des Sonnenwindes einfangen. Die Daten für das Modell „bestrahlte Partikel“ stammen aus Analysen von Mondböden und Meteoriten. Schließlich lieferten kohlenstoffhaltige Chondritmeteorite Daten für das Modell der „späten Akkretion“.

Mindestgröße für einen bewohnbaren Planeten

Die Isotopenverhältnisse, die sie fanden, lagen weit über denen der Modelle „bestrahlte Partikel“ oder „späte Akkretion“, sagte Williams, und unterstützen eine schnelle frühe Bildung.

„Dies ist ein deutlicher Hinweis darauf, dass sich Neon im tiefen Mantel befindet“, sagte Williams.

Neon, denken Sie daran, ist ein Marker für diese anderen flüchtigen Verbindungen. Wasserstoff, Wasser, Kohlendioxid und Stickstoff wären zur gleichen Zeit in der Erde kondensiert – alle Bestandteile, die, soweit wir wissen, zu einem bewohnbaren Planeten werden.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein Planet, um diese lebenswichtigen Verbindungen aufzunehmen, eine bestimmte Größe erreichen muss – die Größe des Mars oder etwas größer – bevor sich der solare Nebel auflöst. Beobachtungen anderer Sonnensysteme zeigen, dass dies etwa zwei bis drei Millionen Jahre dauert, sagte Williams.

Passiert der gleiche Prozess bei anderen Sternen? Beobachtungen vom Atacama Large Millimeter Array, oder ALMA, Observatorium in Chile, deuten darauf hin, dass es das tut, sagten die Forscher.

ALMA verwendet eine Reihe von 66 Radioteleskopen, die als ein einziges Instrument arbeiten, um Staub und Gas im Universum zu erfassen. Es kann die Planeten bildenden Scheiben aus Staub und Gas um einige nahegelegene Sterne herum sehen. In einigen Fällen gibt es dunkle Streifen in den Scheiben, in denen der Staub verbraucht ist.

„Es gibt ein paar Möglichkeiten, wie Staub von der Scheibe entfernt werden könnte, und eine davon ist, dass sie Planeten bilden“, sagte Williams.

„Wir können die Planetenbildung in einer Gassonde in anderen Sonnensystemen beobachten, und es gibt eine ähnliche Aufzeichnung unseres eigenen Sonnensystems, das im Inneren der Erde erhalten ist“, sagte Mukhopadhyay. „Das könnte ein gängiger Weg für Planeten sein, sich anderswo zu bilden.“

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