„Viele kleine Schritte bei der Erdentstehung“

Vor rund 4,5 Milliarden Jahren bildete sich unser Planetensystem aus einer riesigen Gas- und Staubscheibe um die junge Sonne. Zunächst formten sich kleine Brocken, die sich nach und nach zu immer größeren Objekten zusammenballten, inklusive der Erde. Dieser Entstehungsprozess muss Spuren in der chemischen Zusammensetzung des Erdmantels hinterlassen haben, vermuten Wissenschaftler. Im Fall von sogenannten hochsiderophilen Elementen – dazu zählen beispielsweise Platin und Gold – konnten Forscher dies nun nachweisen: Anhand eines neuen Modells sowie Experimenten ließ sich die Verteilung dieser „eisenliebenden“ Elemente im Erdmantel erfolgreich erklären. Welt der Physik sprach mit Vera Laurenz von der Universität Bayreuth über die Ergebnisse der neuen Studie.

Welt der Physik: Was sind siderophile Elemente und was haben sie mit dem Erdkern zu tun?

Vera Laurenz: Siderophil heißt, dass die Elemente eisenliebend sind. Sie bevorzugen es, sich mit Eisen zu verbinden und treten deshalb verstärkt in eisenhaltigen Umgebungen auf. Da der Erdkern überwiegend aus Eisen besteht, haben sich diese Elemente bereits während seiner Entstehung mit dem flüssigen Eisen verbunden und so eine Legierung gebildet. Bei hochsiderophilen Elementen ist das so stark ausgeprägt, dass diese in der Erdkruste – die hauptsächlich aus Silikaten besteht – fast nicht mehr vorhanden sind.

Vera Laurenz von der Universität Bayreuth sitzt am Computer
Vera Laurenz von der Universität Bayreuth

Welche Elemente sind hochsiderophil?

Ein Beispiel, das wir untersucht haben, ist Platin, das auch gerne für Schmuck verwendet wird, oder Gold. Die Seltenheit dieser Elemente rührt daher, dass der überwiegende Teil im Erdkern steckt. Die klassische Erklärung dafür ist, dass sie bei der Kernbildung fast komplett in den Kern gewandert sind. Wir haben nun aber herausgefunden, dass das so nicht ganz der Fall ist. Der Bildungsprozess der Erde ist komplizierter als ihn die einfachen Modelle beschreiben.

Wie lautet die klassische Erklärung für die Entstehung des Erdkerns?

Ihr zufolge gibt es nur eine einzelne Phase, in der sich der Kern gebildet hat und während der die hochsiderophilen Elemente komplett in den Kern gewandert sind. Nachdem die Kernbildung abgeschlossen ist, würde noch ein kleiner Teil meteoritisches Material auf die Erde gelangen, der quasi wieder kleine Mengen dieser Elemente auffüllt – das sind dann die, die wir heute auf der Erdoberfläche finden.

Wo hakt es bei dieser Erklärung?

Das hat mit neueren Modellen zu tun, die die Entstehung der Planeten in unserem Sonnensystem beschreiben. Wir wissen, dass das ein dynamischer Prozess war und dass die Erde eben nicht in einem einzigen Schritt entstanden ist, sondern in vielen kleinen Schritten.

Und wie sehen diese neuen Modelle aus?

In unserem Modell von der Entstehung des Planetensystems haben wir etwa hundert große und einige Tausend kleinere Körper, die sich über Millionen von Jahren zu den unterschiedlichen Planeten zusammenballen, auch der Erde. Diese Körper sind von ihrem Aufbau her bereits differenziert. Sie haben also einen Mantel und einen Kern, in dem sich die hochsiderophilen Elemente befinden. Weil diese Körper im Vergleich zur Erde relativ klein sind, wanderten die hochsiderophilen Elemente bei relativ niedrigem Druck in ihren Kern.

Was passiert, sobald diese Körper auf die Erde treffen?

Das Szenario ist leider nicht so einfach, denn wie effizient sich die hochsiderophilen Elemente mit dem Eisen verbinden, hängt von den Druck- und Temperaturbedingungen ab. Je höher der Druck wird, desto kleiner ist der Anteil der Elemente, die sich mit dem Eisen verbinden. Da die Erde nach einiger Zeit schon relativ groß war, lag der Druck in ihrem Kern deutlich über dem der kleinen Körper. Deshalb gehen weniger dieser hochsiderophilen Elemente in das flüssige Metall über und der Effekt ist, dass diese Elemente wieder an den Erdmantel abgegeben werden. Deshalb passiert eigentlich das Gegenteil von dem, was das einfache Modell voraussagt. Bei diesem neuen Modell bleiben im Prinzip zu viele hochsiderophile Elemente zurück im Mantel – verglichen mit dem, was wir heute wirklich sehen.

Wie konnten Ihre Experimente zur Lösung dieses Problems beitragen?

Die computergenerierte, künstlerische Darstellung zeigt einen hellen Stern in der Mitte des Bildes der von einer rötlichen Scheibe aus Staub und Steinen umgeben ist.
Protoplanetare Scheibe

Wir hatten im neuen Modell gleichzeitig festgestellt, dass zu viel Schwefel im Erdmantel zurückbleibt. Deshalb wandert nicht nur reines Eisen in den Erdkern, sondern auch Eisensulfid. Ich habe Experimente bei unterschiedlichen Drücken und Temperaturen durchgeführt und untersucht, wie sich diese hochsiderophilen Elemente verhalten, wenn zusätzlich dieses Eisensulfid vorhanden ist. In Hochdruckexperimenten brachte ich das Eisensulfid mit einer Silikatschmelze ins Gleichgewicht und konnte so prüfen, unter welchen Bedingungen sich die hochsiderophilen Elemente mit dem Eisensulfid verbinden und wie groß der Anteil ist, den das Eisensulfid mit in den Erdkern nehmen würde.

Was haben Sie herausgefunden?

Wir haben herausgefunden, dass sich die hochsiderophilen Elemente auch bei hohem Druck und hoher Temperatur effizient mit dieser Sulfidphase verbinden. Und dadurch, dass das Eisensulfid in den Kern wandert, wird die Konzentration im Mantel wieder reduziert und stimmt letztendlich mit dem überein, was wir auch tatsächlich beobachten.

Funktioniert das neue Modell denn jetzt besser als das alte?

Ja, denn bei dem einfachen Modell gab es zusätzlich das Problem, dass man zwar die Konzentration der chemischen Elemente im Erdmantel ungefähr erklären konnte, aber nicht die Details. Zum Beispiel ist im Erdmantel etwas mehr Palladium und Ruthenium vorhanden als vorhergesagt. Unser Modell kann das jetzt erklären. Uns war sehr wichtig, dass wir die Entstehung der Planeten – die eben in vielen kleinen Schritten abgelaufen ist – mit der chemischen Zusammensetzung des Erdkerns und des Erdmantels in Einklang bringen können. Das war das Hauptanliegen, und das ist uns gelungen.