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Polarlichtgürtel könnten Chemie der frühen Erde gebündelt haben
Chemie im Polarlicht: Das Magnetfeld der jungen Erde könnte energiereiche Teilchen in hohen Breiten gebündelt und dort wiederholt präbiotische Reaktionen angestoßen haben. Eine neue Hypothese beschreibt die Auroragürtel deshalb als natürliche Ionenstrahl-Reaktoren, wobei weniger die globale Stoffproduktion als die räumliche Konzentration von Energie, Reaktionsprodukten und weiteren chemischen Schritten entscheidend wäre.
Kumatori (Japan). Für die Entstehung des Lebens reicht es nicht, organische Moleküle irgendwo auf einem Planeten zu erzeugen. Entscheidend kann auch sein, ob Energie und Reaktionsprodukte wiederholt an denselben Orten zusammentreffen und sich dort anreichern. Genau dafür könnten die Polarlichtgürtel der frühen Erde günstige Bedingungen geschaffen haben.
Viele Szenarien zur präbiotischen Chemie, also zur Chemie vor dem ersten Leben, betrachten ultraviolette Strahlung, Blitze oder Einschläge als Energiequellen. Diese wirken großräumig oder an wechselnden Orten, während die neue Arbeit fragt, ob das Erdmagnetfeld energiereiche Teilchen wiederholt auf räumlich begrenzte Zonen gelenkt haben könnte.
Shinya Kato von der Kyoto University hat dafür die Physik von Polarlichtern mit Erkenntnissen zur frühen Atmosphäre und zur chemischen Evolution verknüpft. Paleomagnetische Befunde sprechen dafür, dass die Erde schon vor mehr als 3,4 Milliarden Jahren ein funktionierendes Magnetfeld besaß. Zugleich war die junge Sonne aktiver als heute, was stärkere Teilcheneinträge begünstigt haben könnte.
Elektronen und Ionen folgen den Strukturen des Magnetfelds und gelangen bevorzugt in hohen Breiten in die Atmosphäre. Dort können sie mit Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf und kleineren Anteilen reduzierter Gase kollidieren. Dabei entstehen Ionen, Radikale, angeregte Moleküle und Sekundärelektronen, die weitere Reaktionen ermöglichen.
Neu ist nicht die Idee, dass energiereiche Teilchen präbiotische Chemie antreiben können. Frühere Bestrahlungsversuche haben bereits gezeigt, dass unter plausiblen Bedingungen unter anderem Aminosäuren, Carbonsäuren und hydrolysierbare organische Vorstufen entstehen können. Kato verschiebt den Fokus deshalb von der reinen Energiequelle auf ihre räumliche Verteilung.
In diesem Bild bilden die Auroragürtel gemeinsam einen natürlichen Ionenstrahl-Reaktor, denn das Magnetfeld würde Teilchen nicht gleichmäßig über den Planeten verteilen, sondern sie immer wieder in geografisch begrenzte Atmosphärenbereiche lenken. So könnten dort wiederkehrende Zonen chemischen Ungleichgewichts entstanden sein.
Die Hypothese behauptet jedoch nicht, dass in der Hochatmosphäre direkt komplexe Biomoleküle oder gar Leben entstanden. Die dort gebildeten reaktiven Stoffe könnten vielmehr durch Luftströmungen, Aerosole und Niederschlag nach unten gelangt sein. In kalten Polarregionen oder saisonalem Eis könnte Gefrieren gelöste Stoffe zusätzlich in der verbleibenden Flüssigkeit konzentriert und weitere Reaktionen begünstigt haben.
Auch global müsste diese Teilchenchemie andere Energiequellen nicht übertroffen haben, denn ihr möglicher Vorteil liegt in der Wiederholung am selben Ort. Produktion, Transport, Anreicherung und erneute Reaktion könnten dadurch enger miteinander gekoppelt gewesen sein als bei einer überall ähnlich wirksamen Energiequelle.
Die Idee macht konkrete Vorhersagen, die sich im Labor und in Modellen überprüfen lassen. Laborversuche können frühe Gasgemische realistischen Elektronen- und Ionenspektren aussetzen und die Produkte mit Reaktionen unter ultraviolettem Licht vergleichen. Modelle können zudem rekonstruieren, an welchen Orten alte Magnetfelder und damalige Sonnenwindbedingungen besonders viel Teilchenenergie in die Atmosphäre gelenkt hätten.