Automechaniker

Feb 27, 2024

Dem10/Jennifer Renteria, Smithsonian.

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Die Erde, unsere geschätzte Heimat im Kosmos, weist ein bemerkenswertes Merkmal auf, das sie von ihren Artgenossen auf dem Planeten unterscheidet – den Kontinenten und ihrer Höhe über dem Meeresspiegel. Diese riesigen Landmassen voller Leben und Vielfalt tragen zur einzigartigen Bewohnbarkeit unseres Planeten bei. Doch der Ursprung der Kontinente der Erde und ihre unterschiedlichen Eigenschaften geben Wissenschaftlern seit langem Rätsel auf.

NASA

Nun könnte uns eine neue Studie von Elizabeth Cottrell, einer Forschungsgeologin und Gesteinskuratorin am Smithsonian National Museum of Natural History, und Megan Holycross, einer Assistenzprofessorin an der Cornell University, der Lösung dieses Rätsels näher gebracht haben.

Das heißt, ihre in Science veröffentlichte Studie stellt eine populäre Hypothese in Frage und widerlegt sie, die erklären wollte, warum die kontinentale Kruste im Vergleich zu ihrem ozeanischen Gegenstück einen geringeren Eisengehalt aufweist und stärker oxidiert ist. Dies ist wichtig, da der Mangel an Eisen entscheidend dafür ist, dass ein großer Teil der Oberfläche unseres Planeten über dem Meeresspiegel liegt und so das Gedeihen von Leben an Land ermöglicht.

Um die Auswirkungen dieser Forschung auf unser Verständnis der kontinentalen Ursprünge der Erde wirklich zu verstehen, führte Interesting Engineering (IE) ein aufschlussreiches Gespräch mit Elizabeth Cottrell selbst.

„Unter den Gesteinsplaneten des inneren Sonnensystems ist die kontinentale Kruste einzigartig auf dem Planeten Erde. Wichtig ist, dass die kontinentale Kruste im Vergleich zur ozeanischen Kruste geringere Konzentrationen des Elements Eisen aufweist“, erklärte Cottrell gegenüber IE.

Sie beschrieb, wie dies dazu führt, dass die kontinentale Kruste weniger dicht und schwimmfähiger ist als die ozeanische Kruste, sodass sie bei der Verschiebung der tektonischen Platten der Erde nicht einfach in das Erdinnere zurückgeführt werden kann.

„Infolgedessen sind die Kontinente der Erde uralt – an einigen Stellen über 4 Milliarden Jahre alt – und sehr stabil im Vergleich zur Meereskruste, die aufgrund ihrer hohen Dichte selten länger als 200.000 Jahre überlebt, bevor sie wieder in das Erdinnere zurückgeführt wird.“ Sie hat hinzugefügt.

Sie erklärte auch, dass das Eisen in der kontinentalen Kruste eher in einem oxidierten chemischen Zustand vorliegt als das Eisen in der ozeanischen Kruste. Bezeichnenderweise versuchen Geologen seit langem zu verstehen, wie sich die oxidierte und eisenarme Kontinentalkruste der Erde bildet und warum sie sich auf anderen Planeten in unserem Sonnensystem nicht bildet.

„In unserer Studie sind wir dem Verständnis der möglichen Mechanismen näher gekommen, die zur Erschöpfung der kontinentalen Eisenkruste führen könnten“, erklärte Cottrell.

„Eine beliebte Hypothese besagt, dass die Kristallisation des Minerals Granat [eine Gruppe von Silikatmineralien und der Geburtsstein des Januars] aus geschmolzenem Gestein tief unter der Erdoberfläche zur Eisengewinnung beitragen könnte.“

Sie beschrieb, wie die Entfernung eines eisenreichen Minerals aus geschmolzenem Gestein dazu führen würde, dass das verbleibende Gestein weniger Eisen enthält und es der Kruste ähnelt, die die Kontinente bildet. Diese Hypothese war verlockend, weil Eisen in einem Mineral namens Granat in zwei verschiedenen Formen vorliegt: eine mit weniger Sauerstoff (genannt „reduziert“) und eine mit mehr Sauerstoff (genannt „oxidiert“).

Darüber hinaus betonte sie, dass, wenn Granat selektiv die Eisenart mit weniger Sauerstoff entfernen würde, dies nicht nur zu Gesteinen mit weniger Eisen, sondern auch zu Gesteinen mit mehr Sauerstoff führen würde, was zwei entscheidende Eigenschaften der kontinentalen Kruste erfüllt.

„In unserem Labor haben wir beschlossen, diese Theorie zu testen. Wir haben Kristalle des Minerals Granat aus geschmolzenem Gestein bei hohen Drücken und Temperaturen in einem speziellen Gerät namens Kolbenzylinderpresse gezüchtet“, sagte sie. Auf diese Weise versuchten die Forscher, die starke Hitze und den Druck der Erdkruste im Labor nachzubilden.

Smithsonian

„Kolben-Zylinder-Pressen sind eigentlich nicht sehr hochtechnologisch – sie funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie ein Wagenheber … Wir verfügen in dieser Hinsicht teilweise über die gleichen Fähigkeiten wie ein Automechaniker“, fügte sie hinzu.

„Dann kühlten wir die Mischung so schnell ab, dass die Chemie „einfrierte“ und das Mineral Granat entstand, das von Glas umgeben war, das früher geschmolzenes Gestein war.“

„Nach diesen relativ einfachen Experimenten führten wir mehrere sehr coole High-Tech-Analysen durch. Um den chemischen Zustand des Eisens in unseren Granaten und Gläsern zu quantifizieren (um zu wissen, ob es reduziert oder oxidiert war), mussten wir nach Argonne National reisen Labor – Heimat der Advanced Photon Source (APS).

Sie erklärte, dass das APS Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Die Elektronen sausen um einen Speicherring mit einem Umfang von über einem Kilometer, und während die Elektronen die Kurven der Bahn umrunden, emittieren sie Synchrotronstrahlung – ultrahelle Röntgenstrahlung, die die Forscher auf ihre Proben fokussieren konnten.

„Wir sind viele Male zum APS gegangen, um unsere Proben zu röntgen, um den elektronischen Zustand des Eisens in den Granaten und Gläsern zu quantifizieren. Jeder Ausflug zum Synchrotron dauert viele Tage und jeder Ausflug ist sehr aufregend“, verriet sie.

„Es braucht riesige Teams von Ingenieuren und Wissenschaftlern, um eine Anlage wie das APS betriebsbereit zu halten. Wir haben großes Glück, Zugang zu solch einem phänomenalen Werkzeug zu haben.“

„Wir haben auch die Eisenkonzentration in den Granaten und im Glas mit einem Instrument namens Elektronenmikrosonde am Smithsonian Institution gemessen“, fügte sie hinzu.

Die Analysen ergaben insbesondere, dass die Granate geringere Mengen an reduziertem Eisen enthielten als angenommen. „Das bedeutet, dass die Kristallisation des Minerals Granat aus geschmolzenem Gestein nicht die oxidierte und eisenarme Chemie der kontinentalen Kruste erzeugt“, argumentierte Cottrell.

G. Macpherson und E. Cottrell, Smithsonian.

Als sie nach dem entscheidenden Moment gefragt wurde, der ihr klar machte, dass die populäre Granat-Erklärung nicht mit der Entstehung von Kontinenten übereinstimmte, war ihre Antwort glasklar:

„Es war, als wir im Argonne National Laboratory waren und die Röntgenspektren der Granate und Gläser beobachteten, die wir im Labor hergestellt hatten“, erklärte sie. „In diesem Moment wussten wir, dass Granat bei der Bildung der kontinentalen Kruste nicht wie angenommen funktionieren konnte.“

„Unsere Arbeit ist durch das Ausmaß begrenzt, in dem wir das Erdinnere im Labor simulieren können“, gab Cottrell zu.

Sie betonte, dass ein erhebliches Hindernis für sie der Mangel an geeigneten Behältern in ihrem Labor sei, die dem geschmolzenen Gestein standhalten könnten, ohne unerwünschte chemische Reaktionen hervorzurufen.

In diesem Zusammenhang sind sie kontinuierlich bestrebt, Innovationen zu entwickeln und neue und einfallsreiche Methoden zur Gestaltung von Experimenten zu erforschen. Ihr Ziel ist es, das Erdinnere besser zu verstehen und gleichzeitig Störungen oder Ablenkungen durch Geräteeinschränkungen zu minimieren.

„Einige Mitglieder meines Teams konzentrieren sich weiterhin auf Probleme im Zusammenhang mit der Bildung kontinentaler Kruste“, sagte sie. „Wenn Granat nicht zur Eisenverarmung und -oxidation führen kann, was ist dann der Mechanismus?“ Um dies herauszufinden, werden die nächsten Schritte des Teams darin bestehen, Experimente durchzuführen und natürliche Gesteine ​​zu analysieren.