(3) Evolution der Atmosphäre

1. (3) Evolution der Atmosphäre (c) G. Larson Klima 9

2. Primäre Atmosphären Uratmosphären Nach der Entstehung der Planeten aus dem protosolaren Nebel waren die Planeten von primären Atmosphären bzw. Uratmosphären umgeben, die sie – abhängig von ihrer Masse – mit unterschiedlichem Erfolg gravitativ festhalten konnten. Die primären Atmosphären hatten ursprünglich die gleiche Zusammensetzung wie der Gasanteil des solaren Urnebels, bzw. wie die äußeren Schichten der Sonne. Die – bei weitem – wichtigsten Gase waren Wasserstoff (H2) und Helium (He). Thermische Flucht Atmosphärenbestandteile in den obersten Atmosphärenschichten, die aufgrund ihrer thermischen Bewegung die Fluchtgeschwindigkeit erreichen, können aus dem Schwerefeld des Planeten entfliehen. Bei gegebener Temperatur haben die Wasserstoffmoleküle aufgrund ihrer kleinen Masse die höchste mittlere Geschwindigkeit, sie sind also besonders stark von thermischer Flucht betroffen. Besonders effizient ist die thermische Flucht bei kleinen Planeten (niedrige Fluchtgeschwindigkeit), die sich nahe an der Sonne befinden (hohe Temperatur). Die Gasplaneten oder Riesenplaneten haben ihre primären Atmosphären im wesentlichen noch heute. Die Atmosphären von Jupiter und Saturn sind ganz ähnlich zusammengesetzt wie die Sonne: Nach der Zahl der Atome: ~92 % H, ~8 % He (Nach der Masse: ~75 % H, ~25 % He) Jupiter: ~90 % H2 , ~10 % He (Achtung: H2) Saturn: ~95 % H2 , ~5 % He Bei Uranus und Neptun ist der relative Anteil von H etwas kleiner (etwa 80%), der von He etwas größer (knapp 20 %), außerdem gibt es noch etwa 2 % Methan (CH4). Klima 10

3. Sekundäre Atmosphären (1) Alle Terrestrischen Planten haben ihre primären Atmosphären verloren. Neben der thermischen Flucht war hier der T-Tauri Wind, dem die inneren Planeten verstärkt ausgesetzt waren, von besonderer Bedeutung. Bei der Erde hat auch noch der Riesenimpakt im Zuge der Mondentstehung zum Verlust der primären Atmosphäre beigetragen. Bis auf Merkur haben aber alle terrestrischen Planeten heute nennenswerte Atmosphären. Sekundäre Atmosphären Diese Atmosphären haben eine völlig andere Zusammensetzung als der solare Urnebel, sie sind durch Entgasung aus dem Mantel entstanden. Anhand der Zusammensetzung der Gase, die heute bei Vulkanausbrüchen auf der Erde austreten, kann man auf die ursprüngliche „Atmosphärenproduktion“ schließen, das ist das sogenannte Rubey – Inventar: Die Chlorverbindungen sind sehr reaktionsfreudig und können sich nicht länger in der Atmosphäre halten. Die heutigen Atmosphären der terrestrischen Planeten sehen aber ganz anders aus. Merkur konnte seine Atmosphäre aufgrund der geringen Masse und der hohen Temperaturen überhaupt nicht halten. Die Erdatmosphäre besteht zu 78 % aus N2und zu 21 % aus O2.Die Atmosphären von Venus und Mars bestehen zu etwa 95 % aus CO2. Wie kam es also zu diesen Unterschieden? H2O 80.0 % CO2 17.0 % HCl + Cl2 1.7 % N2 0.2 % Klima 11

4. Sekundäre Atmosphären (2) Entwicklung der sekundären Erdatmosphäre Die sekundäre Erdatmosphäre bestand also ursprünglich größtenteils aus Wasserdampf. Aufgrund der Temperaturen, die auf der Erde herrschten, konnte sich auf der Erde allerdings bald flüssiges Wasser bilden. Fast der gesamte ursprüngliche Wasserdampf findet sich heute im Wasser der Ozeane. Sobald es Ozeane gab wurde außerdem der überwiegende Teil des Kohlendioxids aus der Atmosphäre entfernt. Das ursprüngliche Kohlendioxid ist heute in mächtigen Karbonatsedimenten gebunden. Stickstoff (N2), der im Rubey–Inventar nur eine relativ bescheiden Rolle spielt, ist daher heute der Hauptbestandteil der Erdatmosphäre. Das Wasser der Ozeane gäbe eine ~300 bar Wasserdampfatmosphäre In den Karbonatgesteinen sind ~70 bar CO2 gebunden. Ursprünglich hatten Venus, Erde und Mars vermutlich eine ähnliche Atmosphären-Zusammensetzung. Venus ist aber wahrscheinlich schon mit weniger Wasser entstanden. Falls es auf der Venus jemals Ozeane gab, so konnten sie sich in jedem Fall nicht lange genug halten, um das CO2 aus der Venusatmosphäre zu entfernen. Venus hat eine geringere Sonnenentfernung und damit höhere Temperatur. Wasserdampf konnte in großen Mengen in Höhen gelangen, in denen er durch UV-Strahlung dissoziiert wurde, H2 konnteentweichen. Die Ozeane gingen verloren. Venus hat heute eine dichte Atmosphäre mit etwa 90 bar Bodendruck, die zum über-wiegenden Teil aus CO2 besteht. Resultat ist ein „Super–Treibhauseffekt“. Auf Mars gab es früher flüssiges Wasser, vielleicht sogar einen Ozean. Es kam aber ein wichtiger Prozess nie dauerhaft in Gang, der langfristig flüssiges Wasser auf Mars garantieren hätte können: Auf der Erde arbeitet (dankenswerterweise) ein effektiver Rückkoppelungsmechanismus, der den CO2– Gehalt der Atmosphäre (und damit die Temperaturen) langfristig stabilisiert, der Karbonat – Silikat – Zyklus. Die Zeitskala liegt allerdings in der Größenordnung von 10 Millionen Jahren, dieser Prozess wird uns daher bei der „Lösung“ des Problems des anthropogenen Treibhauseffektes in den kommenden Jahrhunderten nicht helfen. Klima 12

5. Der Karbonat – Silikat – Zyklus Diese negative Rückkoppelung funktioniert in dieser Form nur auf der Erde. Voraussetzungen sind Ozeane und Plattentektonik. CO2 + Regenwasser  H2CO3 (Kohlensäure), verwittert Gestein, das Kalzium- und Silikatmineralien enthält. Ca++ und HCO3– Ionen werden ins Meer transportiert und von Plankton als CaCO3 (Kalziumkarbonat) in Kalkschalen eingebaut. Abgestorbene Organismen sinken auf den Meeresboden und bilden Karbonatsedimente. Karbonatsedimente können in warmem Klima auch direkt aus dem Meerwasser gebildet werden (ohne Plankton). Bei der Subduktion des Meeresbodens (Plattentektonik) werden die Karbonat-sedimente steigenden Temperaturen und Drücken ausgesetzt. CaCO3 reagiert mit Quarz (SiO2) zu CaSiO3, CO2 wird freigesetzt und gelangt bei Vulkanausbrüchen in die Atmosphäre. Stabilisierung des Erdklimas Sinkende Temperatur  geringere Verdunstung  weniger Niederschlag  CO2 wird langsamer aus der Atmosphäre entfernt, außerdem läuft die chemische Verwitterung des Oberflächengesteins langsamer ab. CO2 wird aber andererseits mit unverminderter Geschwindigkeit bei Vulkanausbrüchen gefördert  Anreicherung von CO2 in der Atmosphäre  Anstieg der Temperatur. Auf Mars gab es früher fließendes Wasser, vielleicht sogar Ozeane, aber keine Plattentektonik – das CO2 wurde nicht mehr in die Atmosphäre abgegeben. Auf Venus wurde das CO2 nie in ausreichender Menge aus der Atmosphäre entfernt. Klima 13

6. Die tertiäre Erdatmosphäre Die Erde ist der einzige Planet oder Mond im Sonnensystem, dessen Atmosphäre einen wesentlichen Anteil an Sauerstoff besitzt. Freier Sauerstoff ist extrem reaktionsfreudig und wird daher sofort chemisch gebunden. Große Mengen an freiem Sauerstoff können nur existieren, wenn Sauerstoff laufend durch Photosynthese nachgeliefert wird. Nur ein kleiner Anteil, etwa 1% des heutigen Wertes, kann durch Photodissoziation von Wasserdampf gebildet werden. Die tertiäre Atmosphäre der Erde ist also nur durch Leben (Photosynthese) erklärbar. Photosynthese Praktisch der gesamte Sauerstoffgehalt der Atmosphäre der Erdatmosphäre ist auf die Tätigkeit photosynthetischer Organismen zurückzuführen. In Kurzform: Cyanobakterien gab es schon vor mindestens 3.5 Mrd. Jahren. Der gebildete Sauerstoff wurde allerdings mehr als 1 Mrd. Jahre lang sofort wieder chemisch gebunden und konnte sich daher nicht in der Atmosphäre anreichern. Im Laufe der Erdgeschichte wurden etwa 3.2 1019 kg Sauerstoff gebildet. Nur etwa 4 % davon finden sich heute in der Atmosphäre, der Rest ist chemisch gebunden. ~ 57 % in Form von Fe2O3 ~ 38 % in Form von SO42- Erst nachdem sich Sauerstoff in der Atmosphäre angereichert hatte, konnte sich eine schützende Ozonschicht, und damit Leben auf den Kontinenten entwickeln. 6 CO2 + 6 H2O  C6H12O6 + 6 O2 Klima 14