Anledningen till att jordens atmosfär har innehållit så mycket syre sedan ungefär två miljarder år sedan jämfört med atmosfären på andra kända planeter har länge varit ett mysterium. Forskare vid Bayerska forskningsinstitutet för experimentell geokemi och geofysik (BGI) vid University of Bayreuth använde nyligen högtrycksexperiment för att underbygga en hittills obevisad misstanke:I tidig geologisk historia, högt tryck i magmahav utlöste processer som resulterade i att jordens övre mantel blev starkt oxiderad. Detta ledde därefter till syrerika föreningar som koldioxid och vattenånga som försvann från manteln till atmosfären. Forskarna har presenterat sina fynd i tidningen Vetenskap .

Det har varit känt sedan en tid tillbaka att under bildandet av jorden påverkades många mindre himmelska kroppar-så kallade planetariska embryon och planetoider-på dess yta. Enorma mängder energi släpptes ut i processen, smälter stora mängder berg. Heta magmahav bildades i jordens mantel, sträcker sig till ett djup av upp till 2, 500 kilometer och innehåller oxiderat järn Fe ²⁺ ("järn"). Bayreuth -forskarna simulerade trycket som påverkade Fe ²⁺ i magmahav i en serie högtrycksförsök. För det här syftet, tryck på mer än 20 gigapascal genererades i BGI:s laboratorier. "Det motsvarar att lägga hela massan av Eiffeltornet på ett objekt som är lika stort som en golfboll, "säger Katherine Armstrong, huvudförfattare till studien, som tog sin doktorsexamen från University of Bayreuth och nu arbetar vid University of California Davis.

I många experimentella körningar, Fe ²⁺ -innehållande berg utsattes för extremt höga tryck av liknande storlek. Det visade sig att Fe ²⁺ förblir inte stabil under dessa förhållanden:I stället för Fe ²⁺ , de körda produkterna i slutet av experimenten innehöll en liten andel icke-oxiderat järn Fe ⁰ ("metalliskt järn") å ena sidan, och en stor andel av det starkare oxiderade järnet Fe ³⁺ ("järn") på den andra. Vid det högsta uppnådda trycket, 96 procent av järnet i proverna var Fe ³⁺ .

Dessa resultat bekräftar hypotesen experimentellt för första gången att i tidig geologisk historia, stora mängder Fe ³⁺ bildades som fanns kvar i den övre manteln efter nedkylningen av jorden. Under tiden, det icke-oxiderade järnet som bildas i magmahavet sjönk snart till jordens kärna på grund av dess höga densitet. Som ett resultat, jordens övre mantel lämnades i ett relativt starkt oxiderat tillstånd. Inte långt under jordens yta, olika fysikalisk-kemiska förhållanden utvecklades som under miljarder år orsakade att stora mängder syrerika föreningar släpptes ut i jordens atmosfär, särskilt koldioxid och vattenånga, istället för de reducerade föreningarna metan och väte.

"I vår nya studie, vi hävdar inte att den höga syrehalten i jordens atmosfär jämfört med andra planeter enbart beror på högtrycksförändringar i järn. Men en sak verkar vara tydlig:Dessa processer spelade en stor roll för att jorden var omgiven av en syrerik atmosfär, "säger doktor Catherine McCammon från Bayern Research Institute of Experimental Geochemistry &Geophysics, som var nära involverad i forskningen.