Heute bestehen etwa zwei Drittel der Erdoberfläche aus Ozeanen, deren maximale Tiefe 11 Kilometer kaum überschreitet. Doch in ihrer Frühzeit muss die Erde von einem bis zu 1800 Kilometer tiefen Ozean bedeckt gewesen sein. Sein Inhalt war nicht Wasser, sondern bis zu 3200 Grad Celsius heißes Magma. Nur so lässt sich nach Laborexperimenten von David Rubie und seinen Kollegen vom Bayerischen Geoinstitut in Bayreuth erklären, warum es im Erdmantel wesentlich weniger Eisenoxid gibt als im Mantel des Mars, obwohl beide auf die gleiche Weise entstanden sind. Die Geologen stellen ihre Ergebnisse im Fachmagazin Nature (Bd. 429, S. 58) vor.
Nachdem vor etwa 4,5 Milliarden Jahren zunächst unsere Sonne entstanden war, bildeten sich aus den Resten des Urnebels ? des Rohmaterials unseres Sonnensystems ? unzählige Meteoriten und Asteroiden, die immer wieder miteinander kollidierten und dadurch zu größeren Objekten, den heutigen Planeten, zusammenwuchsen. Auch nachdem sich die Urerde und der Urmars bereits gebildet hatten, waren die beiden Planeten dem Bombardement aus dem All weiterhin ausgesetzt.
Die von den fortwährenden Einschlägen erzeugte Hitze sorgte dafür, dass zunächst keiner der beiden Planeten eine feste Kruste ausbilden konnte. Frühere geochemische Analysen des Erdmantels hatten bereits gezeigt, dass der Magmaozean der Erde damals eine Tiefe von etwa 1200 Kilometern erreicht haben muss.
Heute unterscheidet sich die Zusammensetzung der festen Planetenkruste von Mars und Erde deutlich, besonders was den Gehalt an Eisenoxid betrifft: Während der Mars in seinem Mantel etwa den gleichen Eisenoxidanteil hat wie Meteoriten, also das Rohmaterial, aus dem Erde und Mars entstanden sind, hat der Erdmantel nur einen Eisenoxidanteil von 8 Gewichtsprozenten ? etwas weniger als die Hälfte des Marsanteils.
Um diesen Unterschied zu erklären, haben die Bayreuther Forscher nun in einem Laborexperiment untersucht, bei welchen Temperaturen und Drücken sich das im Magma enthaltene Eisenoxid in metallisches Eisen mit darin gelöstem Sauerstoff verwandelt. Dazu benutzten sie eine so genannte Multianvilpresse (oder Vielstempelapparatur), die einen Druck von bis zum 250.000-fachen des Atmosphärendruckes und eine Temperatur von bis zu 2700 Grad Celsius erzeugen kann.
Aus ihren Experimenten und darauf aufbauenden Rechnungen schließen Rubie und seine Kollegen nun, dass der Magmaozean der Erde eine Tiefe von 1200 bis 1800 Kilometern erreicht haben muss. Die Temperatur in dieser Tiefe muss etwa 3200 Grad Celsius betragen haben. Nur unter diesen Bedingungen konnte sich Eisenoxid in geschmolzenes Eisen mit darin gelöstem Sauerstoff umwandeln. Dieses Eisen sank dann nach unten und bildete zusammen mit dem ohnehin in den Meteoriten bereits vorhandenem metallischen Eisen den Erdkern. Entsprechend verringerte sich der Eisenoxidanteil im Erdmantel.
Weil der Mars nur ein Zehntel der Erdmasse hat, konnten in seinem Magmaozean die für die Eisenoxidumwandlung erforderlichen Drücke und Temperaturen nicht erreicht werden ? selbst dann nicht, wenn man für diesen Ozean aus geschmolzenem Gestein eine Tiefe von 2000 Kilometern annimmt. Der proportional kleinere Marskern bildete sich folglich nur aus dem in den Meteoriten bereits vorhandenem metallischen Eisen. Der Marsmantel behielt den ursprünglichen Eisenoxidanteil der Meteoriten.
Axel Tillemans
