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Erdkern könnte seit Milliarden Jahren Wasserstoff abgeben
In manchen vulkanischen Gesteinen ist ungewöhnlich wenig schwerer Wasserstoff enthalten. Neue Simulationen zeigen, dass die Kristallisation des frühen irdischen Magmaozeans diese Isotopenverteilung kaum erzeugt haben kann. Damit gewinnt eine andere Erklärung an Gewicht: Ursprünglicher Wasserstoff könnte über lange Zeiträume aus dem Erdkern in den darüberliegenden Mantel gelangt sein.
Hefei (China). Der Erdkern und der darüberliegende Gesteinsmantel entstanden, als sich die junge Erde vor etwa 4,5 Milliarden Jahren in einen metallischen und einen silikatischen Bereich trennte. Ob diese beiden Schichten seither auch chemische Stoffe austauschen, ist jedoch noch nicht geklärt.
Hinweise darauf liefern Basalte von Vulkaninseln wie Island und der Baffininsel im kanadischen Arktisgebiet. Sie enthalten auffällige Isotopenverhältnisse, darunter einen besonders niedrigen Anteil des schweren Wasserstoffisotops Deuterium. Als mögliche Ursache gilt bislang sowohl die Erstarrung der frühen Erde als auch ein späterer Stoffaustausch an der Grenze zwischen Kern und Mantel.
Forscher der University of Science and Technology of China (USTC) um Prof. Wenzhong Wang haben nun überprüft, ob der ursprüngliche Magmaozean allein solche Wasserstoffsignaturen erzeugen konnte. Im Mittelpunkt stand die Frage, wie sich leichter Wasserstoff und das schwerere Deuterium beim Kristallisieren verschiedener Mantelminerale verteilen.
Die Wissenschaftler haben dazu quantenmechanische Berechnungen mit einem durch maschinelles Lernen beschleunigten Simulationsverfahren kombiniert. Dadurch konnten sie die Bewegungen von Wasserstoff in einer Silikatschmelze und in den Mantelmineralen Bridgmanit, Ringwoodit und Wadsleyit unter den extremen Bedingungen der frühen Erde untersuchen.
Gerade bei Wasserstoff ist die quantenmechanische Beschreibung wichtig, weil seine Atomkerne besonders leicht sind. Das Team berechnete, ob die Minerale beim Erstarren bevorzugt Deuterium oder gewöhnlichen Wasserstoff aufnehmen und wie stark sich dadurch das Verhältnis beider Isotope verschiebt.
Das Ergebnis fiel vergleichsweise eindeutig aus. Unter den hohen Temperaturen des damaligen Magmaozeans unterscheiden sich Schmelze und Kristalle in ihrer Wasserstoff-Isotopenzusammensetzung nur geringfügig. Die Trennung reicht nach den Berechnungen nicht aus, um ein tiefes Reservoir mit den heute beobachteten extrem niedrigen Deuteriumanteilen entstehen zu lassen.
Anschließend übertrugen die Forscher die berechneten Isotopenunterschiede in ein Modell zur Erstarrung des globalen Magmaozeans. Dabei berücksichtigten sie verschiedene Anfangsbedingungen, darunter die Wassermenge, den Beginn der Kristallisation und die Verteilung des Wassers auf Schmelze und Minerale.
Trotz dieser Unterschiede ergab sich jeweils ein nahezu einheitlicher ursprünglicher Erdmantel. Der untere Mantel enthielt dem Modell zufolge lediglich rund drei Promille weniger Deuterium als die Ausgangsschmelze. Das liegt deutlich unter den Anomalien, die zuvor in einigen vulkanischen Gesteinen nachgewiesen wurden.
Damit lässt sich eine mögliche Erklärung für die heutige Wasserstoffverteilung weitgehend ausschließen. Der neue Befund ist jedoch ein Modellergebnis über die frühe Kristallisation und keine direkte Messung eines Stoffstroms zwischen Erdkern und Erdmantel.