Magma als Sauerstoff-"Reservoir": Wissenschaftler erklären den Ursprung der atembaren Erdatmosphäre

In den Tiefen des Planeten, in Regionen, in denen der Druck in Dutzenden von Gigapascal gemessen wird, ist geschmolzenes Gestein in der Lage, Sauerstoff in Mengen zu speichern, die Geologen bisher für unmöglich hielten. Dies belegt eine Studie, die in der Zeitschrift National Science Review (Oxford Academic) veröffentlicht wurde, wie RBC-Ukraine berichtet. Ein internationales Wissenschaftsteam wies in Laborexperimenten nach, dass Magma unter enormem Druck zusätzlichen Sauerstoff als eigenständige Gaskomponente absorbiert — ähnlich wie Wasser oder Kohlendioxid. Beim Aufsteigen der Gelschmelze zur Oberfläche fällt der Druck ab, und das Gestein gibt die angesammelten Gase schlüssig nach außen ab. Nach Berechnungen der Autoren könnte genau dieser Mechanismus vor Milliarden von Jahren eine Schlüsselrolle bei der Bildung einer atembaren Atmosphäre gespielt haben.

Überarbeitung des etablierten Mantemmodells

Lange Zeit dominierte in der geologischen Gemeinschaft das Modell, wonach der gesamte Sauerstoff im Erdmantel fest an andere Elemente gebunden ist — überwiegend an Silizium oder Eisen in Silikat- und Oxidmineralien. Die Vorstellung, dass Sauerstoff in geschmolzenem Gestein als separate, „freie“ Phase existieren könnte, galt als unwahrscheinlich. Neue Experimente stellen dieses Paradigma jedoch in Frage: Forscher zeigten, dass Magma bei Drücken, die für die tiefen Mantelschichten charakteristisch sind, ein erhebliches Volumen an molekularem Sauerstoff speichern kann, der auf atomarer Ebene in das Kristallgitter eingebaut ist, anstatt nur als Blasen eingeschlossen zu sein.

Laborexperiment: Künstliches Gestein und Platinoxid

Um die Hypothese zu überprüfen, stellten Wissenschaftler ein künstliches Analogon ozeanischen Vulkangesteins her und fügten Platinoxid hinzu, wodurch eine s-sauerstoffreiche Umgebung geschaffen wurde, die die Bedingungen einer Tifeenschmelze simuliert. Mithilfe einer Kombination aus spektroskopischen Methoden und Computermodellierung bestätigten die Forscher, dass Sauerstoff tatsächlich in die Schmelzstruktur eingebaut wird und spezielle chemische Bindungen eingeht. Dies ist kein mechanisches „Einschließen“ von Gas in Poren, sondern ein vollwertiger atomarer Einbau, der unser Verständnis des Transports flüchtiger Komponenten im Mantel grundlegend verändert.

Vom Mantel zum Freisetzungsmechanismus der Atmosphäre

Wenn Magma aus den tiefen Mantelschichten aufsteigt — sei es infolge tektonischer Risse, vulkanischer Aktivität oder der Bildung großer magmatischer Provinzen —, sinkt der Druck darin. Da das Gestein die Fähigkeit verliert, eine große Menge gelöster Gase zu halten, beginnt es diese allmählich nach außen abzugeben. Unter den Bedingungen der frühen Erde, als die vulkanische Aktivität um ein Vielfaches intensiver war als heute, könnte das Gesamtvolumen des freigesetzten Sauerstoffs kolossal gewesen sein. Die Autoren der Studie betonen, dass dieser Mechanismus ein Rätsel der Erdvergangenheit löst, das Geologen und Geochemiker jahrzehntelang zu entschlüsseln versuchten.

Große magmatische Provinzen und „0,27 Prozent“

In der Zeit vor 2,5 bis 2 Milliarden Jahren kam es auf der Erde zu massiven Eruptionen riesiger Lavavolumina — den sogenannten Large Igneous Provinces, deren Spuren im geologischen Archiv erhalten geblieben sind. Berechnungen der Wissenschaftler zufolge reichte es aus, wenn das damalige Magma gerade einmal 0,27 Prozent seiner Masse als überschüssigen Sauerstoff freisetzte, um die gesamte moderne Erdatmosphäre mit Sauerstoff zu füllen. Selbst ein relativ geringer Anteil an freigesetztem Gas im Maßstab alter Vulkanausbrüche kann somit das Auftreten und die Ansammlung von freiem Sauerstoff in der Atmosphäre erklären.

Kontext: Wie sich Sauerstoff in der Atmosphäre festigte

Eine separate Studie von Wissenschaftlern der University of California in Riverside, die in der Zeitschrift Earth veröffentlicht wurde, ergänzt das Bild aus einer anderen Perspektive: Sie erklärt, warum der Sauerstoff, der vor etwa 2,3 Milliarden Jahren während des Großen Oxidationsereignisses in der Atmosphäre auftauchte, nicht wieder absorbiert wurde. Laut dieser Arbeit spielte die Zunahme des verfügbaren Phosphors in den urzeitlichen Ozeanen eine Schlüsselrolle, die die Entwicklung lebender Organismen und die Ablagerung von organischem Kohlenstoff in Meeressedimenten anregte. So bilden zwei unabhängige Mechanismen — die tiefenfreie Freisetzung von Sauerstoff aus Magma und seine biogene Verankerung in der Atmosphäre — zusammen ein stimmiges Bild über den Ursprung und die Erhaltung des irdischen Sauerstoffs.