Warum Xenon auf der Erde viel seltener ist als Argon

Deutsche Forscher spüren der Entwicklung der frühen Atmosphäre nach

Bayreuth - Edelgase kommen auf der Erde in sehr unterschiedlichen Mengen vor. Während Argon nach Stickstoff und Sauerstoff das dritthäufigste Element in der Lufthülle der Erde ist, finden sich darin nur sehr geringe Spuren von Xenon. Ein Rätsel ist dies vor allem deshalb, weil ein Blick in die Vergangenheit der Erde ein ganz anderes Bild ergibt: Auf der Erde gefundene Chondrite, also Meteoriten, die wie unser Heimatplanet vor rund 4,5 Milliarden Jahren entstanden sind, weisen nämlich einen erheblich höheren Xenongehalt auf.

In "Nature" berichten nun Forscher vom Bayerischen Geoinstitut der Universität Bayreuth von der möglichen Lösung dieses Rätsels. Xenon hatte demnach - im Gegensatz zu Argon oder auch Krypton - eine Atomgröße, die die Einlagerung des Edelgases großteils verhinderte.

Vorgänge im Erdmantel simuliert

Die Bayreuther Forscher Hans Keppler und Svyatoslav Shcheka gingen der Frage nach, ob Edelgase in größeren Mengen im unteren Erdmantel gebunden sein könnten. Der untere Erdmantel befindet sich in einer Tiefe zwischen 660 und 2.900 km, also direkt oberhalb des Erdkerns. Dieser Bereich besteht vorwiegend aus Magnesiumsilikat-Perowskit, einem Mineral mit ungewöhnlicher Struktur, das mehr als die Hälfte der Erdmasse ausmacht. Normalerweise würde man erwarten, dass Edelgase keine chemischen Bindungen eingehen und daher auch nicht in die Kristallstruktur von Mineralen eingebaut werden. Aufgrund der besonderen Eigenschaften von Magnesiumsilikat-Perowskit vermuteten Shcheka und Keppler jedoch, dass sich dieses Mineral anders verhalten könnte.

Die Forscher simulierten die Druck- und Temperaturverhältnisse des unteren Erdmantels. In einer Hochleistungspresse erzeugten sie einen Druck von 250.000 Atmosphären und eine Temperatur von weit über 1.600 Grad Celsius. Dabei wurde Magnesiumsilikat-Perowskit mit verschiedenen Edelgasen in Kontakt gebracht.  Viele dieser Experimente endeten in heftigen Explosionen. Eine Handvoll von erfolgreichen Experimenten zeigten jedoch ein sehr überraschendes Ergebnis. Der Magnesiumsilikat-Perowskit hat unter dem extremen Hochdruck keine Schwierigkeiten, Atome des vergleichsweise leichten Edelgases Argon einzulagern. Sobald es aus der Hochleistungspresse 'befreit' wird, macht Argon rund ein Prozent seines Gewichts aus. Auch Krypton, ein weiteres Edelgas, ist mit einem ungefähr gleichen Anteil darin eingelagert.

Ganz anders jedoch verhält es sich mit Xenon: Es ist nur zu 0,03 Prozent in dem unter Hochdruck angereicherten Mineral enthalten. Die Ursache dafür vermuten die Bayreuther Forscher in der Größe der Atome: Argon-Atome haben eine fast ideale Größe, um Sauerstoff-Fehlstellen im Magnesiumsilikat-Perowskit zu besetzen. Xenon-Atome hingegen sind wahrscheinlich schon zu groß, um sich in die winzigen Freiräume des Minerals hineinpressen zu lassen.

Zurück zu den Anfängen

Diese Forschungsergebnisse bieten nun den Schlüssel, um die rätselhafte "Xenon- Lücke" in der Lufthülle der Erde zu erklären. Keppler und Shcheka knüpfen dabei an Erkenntnisse zur frühesten Erdgeschichte an, die in der Forschung bereits als gesichert gelten: Die noch junge Erde enthielt einen riesigen Magmaozean, in dem durch Kristallisationsprozesse große Mengen an Magnesiumsilikat-Perowskit entstanden. Darin lagerten sich, wie die Simulationsexperimente gezeigt haben, unter extrem hohen Drücken vergleichsweise große Mengen an Argon und Krypton ein. Xenon jedoch musste draußen bleiben.

Der mit Edelgasen angereicherte Magnesiumsilikat-Perowskit bildete, als sich die Erde weiter abkühlte, den Hauptbestandteil des unteren Erdmantels. Zugleich verlor die junge Erde durch massive Meteoreinschläge die ursprüngliche atmosphärische Hülle, von der sie damals noch umgeben war. Erst im weiteren Verlauf der Erdgeschichte entwickelte sich eine neue Erdatmosphäre. Dabei strömten große Mengen von Gasen aus dem Erdinneren nach oben - darunter auch das Argon, das infolge von Umwälzungsprozessen im Erdmantel an die Oberfläche gelangte. Doch nur geringe Spuren von Xenon konnten in die neue Lufthülle entweichen, denn mehr war im Erdinneren nicht vorhanden. Die Zusammensetzung der heutigen Atemluft enthält also immer noch Spuren der Prozesse, die vor 4,5 Milliarden Jahren abliefen, als die Erde vollständig geschmolzen war. (red, derStandard.at, 19. 10. 2012)

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