Quelle: ETH Zürich; 10. August 2022.

10.08.2022 von Marianne Lucien. Der Mond fasziniert Menschen seit jeher. Doch erst zur Zeit von Galileo Galilei begannen Wissenschaftler, ihn richtig zu untersuchen. Im Laufe von Jahrhunderten stellten Forschende verschiedene Theorien über die Entstehung des Mondes auf.

Nun fügen Geochemiker*innen und Petrolog*innen der ETH Zürich der Entstehungsgeschichte des Mondes ein weiteres Puzzleteil hinzu. In einer Studie, die soeben in der Fachzeitschrift «Science Advances» veröffentlicht wurde, zeigt das Forscherteam, dass der Mond die Edelgase Helium und Neon aus dem Erdmantel geerbt hat.

Die neuen Erkenntnisse beeinflussen die derzeit favorisierte «Giant Impact»-​Theorie, mit der Wissenschaftler die Mondentstehung erklären. Diese Theorie geht davon aus, dass der Mond durch eine massive Kollision zwischen der frühen Erde und einem anderen Himmelskörper entstanden ist. «Unsere Entdeckung bedeutet, dass in der Giant-​Impact-Theorie auch die Edelgase als Faktor einzubeziehen sind», sagt Henner Busemann, Professor am Institut für Geochemie und Petrologie der ETH Zürich.

«Aufregende Entdeckung»
Für diese Studie hat Busemanns Doktorandin Patrizia Will sechs Proben von Mondmeteoriten analysiert. Die Meteoriten wurden von der Nasa in der Antarktis gesammelt und der Forscherin für ihre Untersuchungen zur Verfügung gestellt. Will bestimmte in diesen Meteoritenproben unter anderem den Gehalt der Edelgase Neon und Helium. Diese waren in einer viel größeren Menge vorhanden als erwartet und nur im separierten Glas, was den Sonnenwind als Quelle für die Edelgase ausschloss. Sie mussten also aus dem Innern des Mondes kommen und damit letzten Endes von der Erde vererbt sein. «Dass wir zum ersten Mal Edelgase in basaltischen Materialien vom Mond gefunden haben, die nicht aus dem Sonnenwind stammen können, ist eine aufregende Entdeckung», freut sich Will.

Aufgrund ihrer neuen Erkenntnisse stellen sich die Forschenden den Vorgang so vor: Der junge Mond war vulkanisch aktiv. Magma quoll empor, und erstarrte rasch an der Oberfläche. Durch die rasche Abkühlung bildeten sich Glaspartikel, in welchen die mitgeführten Edelgase Neon und Helium konserviert wurden. Rasch deckten weitere Lavaströme diese Magmaschicht zu und schirmten sie vor kosmischer Strahlung ab, insbesondere vor Sonnenwinden. Dies verhinderte, dass sich chemische Elemente, die im Sonnenwind enthalten sind, in den Glaspartikeln einlagern und deren chemischen Fingerabdruck, die sogenannte Isotopensignatur, verändern konnten.

Per Meteorit zur Erde
Aber wie gelangte das magmatische Mondmaterial mit den Edelgasen auf die Erde? Da der Mond nicht durch eine Atmosphäre geschützt ist, schlagen ständig Asteroiden auf seiner Oberfläche ein. Ein solcher Einschlag war wahrscheinlich stark genug, um Bruchstücke aus den abgeschirmten Lavaschichten des Mondes herauszuschleudern. Diese Gesteinsfragmente gelangten als Meteoriten zur Erde. Viele werden in den Wüsten Nordwestafrikas oder, wie in diesem Fall, in der Antarktis gefunden.

Ihre Untersuchungen haben die Forschenden im Edelgaslabor der ETH Zürich durchgeführt. Dort steht ein hochmodernes Edelgas-​Massenspektrometer namens «Tom Dooley». Seinen Namen erhielt das hochempfindliche Gerät in Anlehnung an einen amerikanischen Folksong, weil es an der Decke des Labors aufgehängt werden musste, um Störungen durch Vibrationen zu vermeiden. Mit dem Tom-​Dooley-Instrument konnte das Forscherteam Glaspartikel von weniger als einem Millimeter Größe aus den Meteoriten messen. «Tom Dooley» ist so empfindlich, dass es als weltweit einziges Instrument in der Lage ist, so geringe Konzentrationen von Helium und Neon nachzuweisen. Es wurde auch dafür eingesetzt, um diese Edelgase in Körnern des Murchison-​Meteoriten nachzuweisen. Die Körner sind rund sieben Milliarden Jahre alt.

Auf der Suche nach den Ursprüngen des Lebens
Zu wissen, wo man in der Nasa-​Sammlung von rund 70’000 Meteoriten suchen muss, ist bei einem solchen Projekt entscheidend. «Ich bin fest davon überzeugt, dass es einen Wettlauf um die Untersuchung schwerer Edelgase und Isotope in diesem Meteoritenmaterial geben wird», sagt ETH-​Professor Henner Busemann, einer der weltweit führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet der extraterrestrischen Edelgasgeochemie. Er rechnet damit, dass Forscher*innen bald auch in den Mondmeteoriten nach Edelgasen wie Xenon und Krypton sowie nach weiteren flüchtigen Elementen wie Wasserstoff oder Halogenen suchen werden.

«Obwohl Edelgase für das Leben nicht notwendig sind, wäre es interessant zu wissen, wie sie die brutale und gewaltsame Entstehung des Mondes überlebt haben. Dieses Wissen könnte Wissenschaftler*innen in der Geochemie und Geophysik helfen, neue Modelle zu entwickeln, die allgemeiner zeigen, wie solche höchst flüchtigen Elemente die Entstehung von Planeten in unserem Sonnensystem und darüber hinaus überleben können», sagt Busemann.

Literaturhinweis
Will P, Busemann H, Riebe M, Maden C. Indigenous noble gases in the Moon’s interior, Science Advances, 10 August 2022. DOI: externe Seite10.1126/sciadv.abl4920call_made

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• Mond

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Quelle: Universität Zürich 19. Mai 2022.

Zürich, 19. Mai 2022 – Um bedrohte Ökosysteme zu schützen, zerstörte Lebensräume wiederherzustellen und den globalen Verlust der Artenvielfalt zu stoppen, braucht es international vergleichbare Daten zur biologischen Vielfalt. Doch das Biodiversitätsmonitoring ist arbeitsintensiv und kostspielig. Zudem gibt es weltweit viele nur schwer zugängliche Gebiete, was die Bestandsaufnahme der Artenvielfalt schwierig macht.

Biodiversitäts-Monitoring per Satellit aus dem All ist möglich
Anna Schweiger vom Labor für Fernerkundung am Geografischen Institut der Universität Zürich (UZH) und Etienne Laliberté von der Universität Montréal zeigen nun, dass die Pflanzen-Biodiversität in unterschiedlichen Ökosystemen mit Hilfe der bildgebenden Spektrometrie zuverlässig bestimmt werden kann. Die untersuchten Ökosysteme reichen von der arktischen Tundra bis in tropische Wälder. «Wir hoffen, mit unserer Studie einen Beitrag zu leisten, um Veränderungen in der Artenzusammensetzung der Ökosysteme unserer Erde zukünftig auch aus dem All zu erkennen. Ziel ist, politische Maßnahmen zum Artenschutz bzw. zur Milderung negativer Konsequenzen des Biodiversitätsverlusts auf Basis wissenschaftlicher Evidenz zu steuern», sagt Erstautorin Anna Schweiger.

Bildspektrometer messen die Reflektion von Licht vom sichtbaren bis zum kurzwelligen Infrarot-Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Wieviel Licht die Pflanzen reflektieren, wird von ihren chemischen, anatomischen und morphologischen Merkmalen bestimmt, die für die Interaktionen zwischen Pflanzen sowie mit ihrer Umgebung ausschlaggebend sind. «Deshalb besitzen Pflanzen mit ähnlichen Merkmalen sowie nahe verwandte Arten tendenziell auch ähnliche Reflektionsspektren», so Schweiger.

Mit reflektiertem Licht Einzelpflanzen und Pflanzengemeinschaften bestimmen
Zuerst entwickelten die Forschenden einen sogenannten spektralen Diversitätsindex. Dieser berechnet, wie stark sich einzelne Pflanzen innerhalb von Pflanzengemeinschaften sowie einzelne Pflanzengemeinschaften untereinander in einem bestimmten Gebiet unterscheiden. Bei der Vielfalt innerhalb von Pflanzengemeinschaften spricht man von Alpha-Diversität, während die Vielfalt zwischen Pflanzengemeinschaften als Beta-Diversität bezeichnet wird.

Für die Studie verwendeten sie Daten des National Ecological Observatory Networks (NEON). Das Netzwerk sammelt mit standardisierten Methoden Biodiversitäts- und Erdbeobachtungsdaten in Gebieten, die über die gesamten Vereinigten Staaten verteilt sind, und stellt diese der Wissenschaft öffentlich zur Verfügung. Die NEON-Bildspektrometer-Daten, die anhand von Forschungsflügen gesammelt werden, haben eine Pixelgrösse von 1×1 Meter.

Die Berechnungen der spektralen Vielfalt ergaben, dass die Erfassung der Alpha-Diversität von der Grösse der Pflanzen abhängt. Im Vergleich zum offenen Grasland, wo kleine, krautige Pflanzen und Grässer vorherrschen, stimmte in Wald-Ökosystemen mit geschlossenem Kronendach die anhand der Reflexionsspektren berechnete Diversität besser mit der effektiv am Boden ermittelten Pflanzenvielfalt überein. Aggregierten die Forschenden jedoch die NEON-Bildspektrometer-Daten zu einer Pixelgröße von 20×20 Meter, so fanden sie in allen untersuchten Ökosystemen Übereinstimmungen zwischen spektraler und pflanzlicher Beta-Diversität. Diese Pixelgröße entspricht der Grösse der Probeflächen, auf denen vor Ort Vegetationsaufnahmen gemacht werden.

Weltweite biologische Vielfalt fast in Echtzeit überwachen
Sowohl die Europäische Raumfahrtbehörde ESA wie auch ihr nordamerikanisches Pendant NASA entwickeln derzeit satellitengestützte Bildspektrometer. Diese sollen rund alle 16 Tage den gesamten Erdball mit einer Pixelgröße von rund 30×30 Meter abbilden und es ermöglichen, Veränderungen in Ökosystemen zu detektieren, währenddem sie stattfinden. «Unsere Studie hilft, in absehbarer Zukunft Veränderungen in der Biodiversität von Pflanzengemeinschaften effektiv und zuverlässig per Satellit zu ermitteln. Mit gezielten Feldarbeiten könnten dann Ursachen und Folgen analysiert und so hoffentlich negativen Folgen rechtzeitig entgegengewirkt werden», sagt Anna Schweiger. Dies ebne, so Schweiger, den Weg für eine globale Überwachung der biologischen Vielfalt – nahezu in Echtzeit.

Literatur:
Anna K. Schweiger, Etienne Laliberté. Plant beta-diversity across biomes captured by imaging spectroscopy. Nature Communications. 19 Mai 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-30369-6
https://www.nature.com/articles/s41467-022-30369-6

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