De reden waarom de atmosfeer van de aarde sinds ongeveer twee miljard jaar geleden zoveel zuurstof bevatte in vergelijking met de atmosferen van andere bekende planeten, is lange tijd een mysterie gebleven. Onderzoekers van het Beierse onderzoeksinstituut voor experimentele geochemie en geofysica (BGI) aan de universiteit van Bayreuth hebben onlangs hogedrukexperimenten gebruikt om een ​​tot nu toe onbewezen vermoeden te staven:in de vroege geologische geschiedenis hoge druk in magma-oceanen veroorzaakte processen die ertoe leidden dat de bovenmantel van de aarde sterk geoxideerd werd. Dit leidde er vervolgens toe dat zuurstofrijke verbindingen zoals koolstofdioxide en waterdamp uit de mantel in de atmosfeer ontsnapten. De wetenschappers hebben hun bevindingen gepresenteerd in het tijdschrift Wetenschap .

Het is al enige tijd bekend dat tijdens de vorming van de aarde veel kleinere hemellichamen - zogenaamde planetaire embryo's en planetoïden - op het oppervlak zijn ingeslagen. Daarbij kwamen enorme hoeveelheden energie vrij, het smelten van grote hoeveelheden gesteente. Hete magma-oceanen werden gevormd in de aardmantel, tot een diepte van maximaal 2, 500 kilometer en met geoxideerd ijzer Fe ²⁺ ("ijzerhoudend ijzer"). De wetenschappers van Bayreuth simuleerden de druk die op Fe . inwerkte ²⁺ in magma-oceanen in een reeks hogedrukexperimenten. Voor dit doeleinde, in de laboratoria van BGI werd een druk van meer dan 20 gigapascal gegenereerd. "Dat is het equivalent van het plaatsen van de hele massa van de Eiffeltoren op een object ter grootte van een golfbal, " zegt Katherine Armstrong, hoofdauteur van de studie, die haar doctoraat behaalde aan de University of Bayreuth en nu werkt aan de University of California Davis.

In tal van experimentele runs, Fe ²⁺ -houdend gesteente werd blootgesteld aan extreem hoge drukken van vergelijkbare grootte. Het bleek dat Fe ²⁺ blijft onder deze omstandigheden niet stabiel:In plaats van Fe ²⁺ , de run-producten aan het einde van de experimenten bevatten een kleine hoeveelheid niet-geoxideerd ijzer Fe ⁰ ("metallic iron") enerzijds, en een groot deel van het sterker geoxideerde ijzer Fe ³⁺ ("ferri-ijzer") aan de andere kant. Bij de hoogste bereikte druk, 96 procent van het ijzer in de monsters was Fe ³⁺ .

Deze resultaten bevestigen voor het eerst experimenteel de hypothese dat in de vroege geologische geschiedenis, grote hoeveelheden Fe ³⁺ gevormd die na afkoeling van de aarde in de bovenmantel achterbleven. In de tussentijd, het niet-geoxideerde ijzer dat in de magma-oceanen werd gevormd, zonk al snel naar de kern van de aarde vanwege de hoge dichtheid. Als resultaat, de bovenste mantel van de aarde bleef in een relatief sterk geoxideerde staat. Niet ver onder het aardoppervlak, er ontwikkelden zich verschillende fysisch-chemische omstandigheden die in de loop van miljarden jaren ervoor zorgden dat grote hoeveelheden zuurstofrijke verbindingen in de atmosfeer van de aarde vrijkwamen, vooral kooldioxide en waterdamp, in plaats van de gereduceerde verbindingen methaan en waterstof.

"In ons nieuwe onderzoek we beweren niet dat het hoge zuurstofgehalte van de atmosfeer van de aarde in vergelijking met andere planeten uitsluitend te wijten is aan hogedrukveranderingen in ijzer. Maar één ding lijkt duidelijk:deze processen speelden een belangrijke rol toen de aarde werd omringd door een zuurstofrijke atmosfeer, " zegt Dr. Catherine McCammon van het Beierse onderzoeksinstituut voor experimentele geochemie en geofysica, die nauw betrokken was bij het onderzoek.