ALS DER ERDKERN SEINE ATMOSPHÄRE VERSCHLANG

Die Erdatmosphäre ist unter den Gesteinsplaneten eigenartig. Venus und Mars haben trotz enorm unterschiedlicher Drücke beide eine Luft aus etwa 95 % Kohlendioxid und einigen Prozent Stickstoff. Die der Erde ist arm an Kohlendioxid und reich an Sauerstoff. Ein Teil des Unterschieds geht auf Milliarden Jahre Geologie und Leben zurück. Doch die Planeten könnten auch mit unterschiedlichen Vorräten jener Elemente gestartet sein, aus denen Atmosphären und Lebewesen bestehen: Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff.

Vera Sparrman von der Universität Kopenhagen und Anders Johansen von Kopenhagen und der Universität Lund in Schweden gingen zurück an den Anfang: in die Zeit, als die Erde noch wuchs, inmitten der Scheibe aus Gas und Staub um die junge Sonne.

Ein Eisenregen durch ein Magmameer

In diesem Stadium hielt die Wärme des einschlagenden Materials den Erdmantel geschmolzen. Die wachsende Erde war von einem globalen Magmaozean umhüllt. Jedes neue Stück Material brachte Gestein, das sich mit dem Magma vermischte, und Eisen-Nickel-Metall, das in Tröpfchen hindurchsank – mit etwa einem Meter pro Sekunde –, um den Kern aufzubauen. Gase aus der Atmosphäre lösten sich im Magma, und einige davon lösten sich wiederum im herabfallenden Metall. Der Eisenregen konnte sie so bis ganz nach unten tragen.

Die Autoren modellierten diesen Austausch zwischen Atmosphäre, Magmaozean und Kern Schicht für Schicht, von einem Keim mit 2 % der Erdmasse bis zu 64 % – ungefähr die Proto-Erde vor dem Rieseneinschlag, der den Mond formte. Die Gesamtmengen an Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff wurden an Schätzungen für die heutige Erde angepasst, einschließlich der Mengen, die man in ihrem Kern verborgen vermutet.

Zwei Arten, einen Planeten zu bauen

Sie verglichen zwei Wachstumswege:

Kieselakkretion (pebble accretion): Die Erde sammelt millimeter- bis zentimetergroße Kiesel ein. Während sich die Umgebung des Planeten aufheizt, verlieren diese kleinen Körner ihre flüchtigen Bestandteile, bevor sie ankommen. Wasserstoff kommt fast sofort nicht mehr an; Kohlenstoff und Stickstoff ungefähr ab der Masse des Mars. Die flüchtigen Stoffe kommen früh.
Planetesimalakkretion: Die Erde wächst aus Körpern von Hunderten Metern Durchmesser oder mehr, die ihre flüchtigen Stoffe im Inneren schützen. Die Lieferung erfolgt kontinuierlich.

Früh angekommen, tief begraben

Der Zeitpunkt erwies sich als sehr wichtig. Bei früher Lieferung schrubbt jedes danach herabregnende Metallstück das Magma weiter aus. Im Kiesel-Szenario landen etwa 70 % des Wasserstoffs und 69 % des Kohlenstoffs im Kern. Bei kontinuierlicher Lieferung nimmt der Kern höchstens etwa die Hälfte auf, und Mantel und Atmosphäre behalten ungefähr doppelt so viel. Diese Anteile stammen aus dem Satz von Labormessungen, den die Autoren als Referenz nehmen; wie wir sehen werden, liefert ein anderer Satz ganz andere Zahlen.

Drei Felder, die zeigen, wie sich beim Wachstum des Planeten die Anteile von Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff in Kern, Magmaozean und Atmosphäre verteilen.

Wo Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff landen, während eine aus Kieseln gebaute Proto-Erde von 0,02 auf 0,64 Erdmassen wächst: Kern (dunkelrot), Magmaozean (orange), Atmosphäre (blau). — Abbildung 4 (obere Reihe), Sparrman und Johansen (2026), arXiv:2610.27788.

Die Löslichkeit — wie viel eines Gases das Magma bei einem gegebenen Druck lösen kann — entscheidet, wer entkommt: Nur was im Magma gelöst ist, können die hindurchsinkenden Metalltröpfchen mitnehmen. Wasser löst sich leicht, also ist der Wasserstoff dem Eisenregen ausgesetzt und sinkt effizient ab. Kohlenmonoxid löst sich weit schlechter, daher bleibt zu jedem Zeitpunkt der größte Teil des Kohlenstoffs oben in der Luft; doch alles danach ankommende Metall leert den gelösten Anteil, den die Atmosphäre sofort wieder auffüllt, und am Ende sind 69 % des Kohlenstoffs doch abgesunken. Stickstoff ist das Gegenbeispiel: Er hat mehr Affinität zu Metall als Wasserstoff, doch nur 4 % davon erreichen den Kern — er löst sich so schlecht, dass er fast nie dort ist, wo der Eisenregen vorbeikommt, und 93 % bleiben in der Atmosphäre. Unlöslichkeit schützt.

Ein schwerer Himmel aus Kohlenmonoxid

Am Ende des Kiesel-Szenarios bleibt eine dichte Uratmosphäre von etwa 760 bar übrig — die Luft, die wir atmen, wiegt auf Meereshöhe 1 bar, die Luft der Venus 92 bar. Sie wird von Kohlenstoff dominiert, überwiegend als Kohlenmonoxid (etwa 710 bar), mit etwa 39 bar Wasserstoff und 1,7 bar Stickstoff. Der Kohlenstoff, der dem Kern entkam und in dieser Atmosphäre landete, entspricht etwa dem 15-Fachen des Kohlendioxids in der heutigen Venusatmosphäre; der Stickstoff etwa dem Stickstoff der Venus. Das Planetesimal-Szenario ergibt einen noch schwereren Himmel, etwa 1.350 bar, ähnlicher Zusammensetzung.

Partialdrücke von Wasser, Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Stickstoff in Abhängigkeit von der Planetenmasse, Kohlenmonoxid am höchsten.

Die Atmosphäre der aus Kieseln gebauten Proto-Erde während ihres Wachstums: Sobald die Lieferung endet, entzieht der Eisenregen weiter Wasserstoff und Kohlenstoff, und Kohlenmonoxid (rote Striche) dominiert. — Abbildung 7 (oben), Sparrman und Johansen (2026), arXiv:2610.27788.

Nach dem Ende der Akkretion erwarten die Autoren, dass der Mantel oxidiert und sich die Atmosphäre zu Wasser und Kohlendioxid hin verschiebt, während Ozeane kondensieren. Auf die Masse der Venus hochgerechnet, liefert das Modell einen ähnlichen Start, etwa 500 bar Kohlenmonoxid; die Autoren vermuten, dass eher die Plattentektonik der Erde, die Kohlenstoff begräbt, als eine andere Geburt erklären könnte, warum sich die beiden Planeten auseinanderentwickelten.

Auf welchem Weg wuchs die Erde?

Im Prinzip könnten die verbliebenen Mengen verraten, wie die Erde entstand. Das Kiesel-Modell mit den Referenzdaten ist das einzige, das die veröffentlichten Schätzungen für alle drei Elemente im heutigen Mantel trifft. Doch diese Schätzungen widersprechen einander etwa so stark wie die Modelle, und Labormessungen dazu, wie sich diese Elemente zwischen Metall und Gestein aufteilen, unterscheiden sich um mehrere Größenordnungen – mit einem anderen Datensatz landet der gesamte Wasserstoff im Kern. Die Löslichkeit von Kohlenmonoxid im Magma ist die einflussreichste und am wenigsten bekannte Eingangsgröße. Bessere Experimente, so schließen die Autoren, könnten die Zusammensetzung des Erdinneren in ein Archiv dafür verwandeln, wie der Planet gebaut wurde.