Entstehung der Lithosphäre, Hydrosphäre und Atmosphäre

Report
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2001 wurde von der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA die
Raumsonde WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)
gestartet, die eine neue Karte der Kosmischen Hintergrundstrahlung
(2.73 K Mikrowellenstrahlung =Abbild des frühen Universums)
erstellen sollte. Aus diesen Messungen wurde nach dem
kosmologischen Standardmodell das Alter des Universums abgeleitet:
13,7 Milliarden Jahre.
In der Folge des Urknalls entstanden die 4 Naturkräfte Schwerkraft,
elektromagnetische Kraft, schwache und starke Kernkraft
Sowie Protonen und Neutronen. Aus diesen durch Kernfusion ca.
25% Helium, sowie geringe Mengen Deuterium und Lithium =
Primordiale Nukleosynthese
Die Kosmische Hintergrundstrahlung entstand ca. 380 000 Jahre nach
dem Urknall, als das Plasma zu neutralen Atomen kondensierte
Die ersten Sterne entstanden bereits 200 Millionen Jahre nach dem
Urknall.
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Entstehen bis auf den heutige Tag dadurch,
dass sich kosmische Materie irgendwo
überdurchschnittlich stark verdichtet
und sich aufgrund der Gravitation in Richtung
auf ihren Schwerpunkt hin kontrahiert.
Gravitationsenergie wird frei, der
Himmelskörper heizt sich während seiner
Schrumpfung adiabatisch auf.
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Ab 107 K setzt die Fusion von Wasserstoff zu
Helium ein.
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Dabei entstehen Positronen, Neutrinos und pro
Mol Helium 2580 Millionen kJ
Hans Bethe, 1967 Nobelpreis für Physik. Seine Arbeiten über Kernreaktionen führten Bethe zur Entdeckung
der Kernreaktionen, welche für die Energieversorgung der Sterne verantwortlich sind .
1H
+ 1H → 2H + e+ + νe
e+ + e− → 2γ
2H
3He
+ 1H → 3He + γ
x2
x2
x2
+3He → 4He + 1H + 1H
___________________________________________________________
6 1H → 4He + 2 e+ + 2 νe+ 2 1H
26,204 MeV
Strahlungsleistung unserer Sonne: 3,845x1026 J/s
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Seit der Entstehung der Sonne (vor 4,6 Milliarden Jahren) ist
nur 1/10 des vorhandenen nutzbaren Wasserstoffs verbraucht
worden, die Sonne hat noch ein langes unverändertes Leben
vor sich (ca. 5 Milliarden Jahre)
Durch die bei der Wasserstofffusion frei werdende Energie
wird der weitere Gravitationskollaps der Sonne aufgehalten
Wenn aber bei einem Stern >1,5 Sonnenmassen 10% des
Wasserstoffs aufgebraucht sind, findet eine erneute
gravitationsbedingte Kontraktion statt, die Temperatur steigt
auf 108 K und es beginnt die Fusion von Helium zu Beryllium,
Beryllium mit Helium zu Kohlenstoff, Kohlenstoff mit Helium
zu Sauerstoff und Sauerstoff mit Helium zu Neon
Oberhalb 109 K entstehen auch höhere Alpha-Kerne bis zum
Titan (immer rascher, die letzte Stufe, das Siliziumbrennen,
dauert nur mehr Stunden)
Ab Temperaturen 3x109 (Supernova) (nur bei massereichen
Sternen) werden die sehr stabilen Elemente in der Umgebung
von Eisen erzeugt (durch den sogenannten EquilibriumProzess)
Die Elemente oberhalb des Eisens bilden sich bei SupernovaExplosionen und in Riesensternen weniger durch
thermonukleare Prozesse als durch Neutroneneinfang
Beteigeuze, der linke Schulterstern im Sternbild Orion, ein „roter
Überriese“, hat fast allen Wasserstoff verbraucht, und das
Heliumbrennen hat begonnen. Er wird vermutlich als Supernova enden.
(Er ist ca. 640 Lichtjahre von uns entfernt.)
Rest von Keplers
Supernova 1604
(in 20 000 Lichtjahren
Entfernung)
Supernova: u.a. durch
Explosion eines massereichen
Sterns mit mehr als acht
Sonnenmassen, nachdem er
nach Verbrauch seines
nuklearen Brennstoffs
kollabiert ist.
Nur einige Tage zu sehen
Im letzten Jahrtausend gab es
in unserer Milchstraße 6
Supernovae
Halbwertszeit (Jahre)
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Th-232
U-238
K-40
U-235
1,4 x 1010
4,5 x 109
1,3 x 109
7,0 x 108
Kosmische Uhr
Pb-207 ist das Endprodukt der Uran-235 Zerfallsreihe
Pb-206 ist das Endprodukt der Uran-238 Zerfallsreihe
Kosmische Uhr
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Dabei bildet sich eine Gas- und Staubscheibe um die
Protosonne
Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
Das Standardmodell
massearmer Sternentstehung:
(a) Molekülwolke mit dichten
Wolkenkernen; (b)
Vergrößerung eines
Molekülwolkenkerns mit
Bildung eines zentralen
Objektes und einer
umgebenden Scheibe; (c)
Aktive Akkretionsphase mit
zentralem (Proto-)Stern,
Akkretionsscheibe und
bipolarer Ausfluss (gibt den
Drehimpuls ab). Der Stern
wächst durch Akkretion aus
der umgebenden Scheibe.
A hot compact dust disk around a massive young
stellar object; Stefan Kraus et al., 2010 (Europäische
Südsternwarte ESO European Southern Observatory)
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Die Materie unseres Sonnensystems hat sich
vor ca. 6 Milliarden Jahren durch eine
Supernova-Explosion gebildet
Diese Materie hatte die Form eines „solaren
Nebels“, aus dem vor 4,6 Milliarden Jahren
unser Sonnensystem entstanden ist
Nahe dem heißen Zentrum dieser Wolke
konnten nur die schweren und
schwerflüchtigen Stoffe kondensieren,
Während sich mit abnehmender
Temperatur weiter außen Substanzen mit
größerer Flüchtigkeit niederschlagen
konnten
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Bei den inneren Planeten sind die
leichten und leichtflüchtigen
Elemente (H, He, C, N, Edelgase)
stark abgereichert
Die schweren und schwerflüchtige
Verbindungen bildenden Elemente
(O, Fe, Ni, Si, Al, Mg, Ca) sind stark
angereichert
Aus: Agemar Siehl, Umweltradioaktivität
Die Erdatmosphäre enthält 0,934 % Ar-40 aus
dem Zerfall von K-40
Das primordiale Argon bestand nur aus Ar-36
und Ar-38 (wie jetzt noch im Planeten Jupiter
und in der Sonne); in der Erdatmosphäre sind
diese Isotope nur mehr in Spuren vorhanden
Element
Ordnungszahl
Häufigkeit im Kosmos [%]
Häufigkeit im Erdkörper [%]
<0.1
Wasserstoff (H)
1
92.48
Helium (He)
2
7.399
Sauerstoff (O)
8
0.00629
Kohlenstoff (C)
6
0.0292
Stickstoff (N)
7
0.00777
Neon (Ne)
10
0.00518
Magnesium (Mg)
12
0.00374
11.2
Silizium (Si)
14
0.00370
14.7
Eisen (Fe)
26
0.00318
37.4
Schwefel (S)
16
0.00178
Argon (Ar)
18
0.00081
Aluminium (Al)
13
0.00030
1.3
Calcium (Ca)
20
0.00022
1.4
Natrium (Na)
11
0.00021
0.6
Nickel (Ni)
28
0.00018
3.0
Chrom (Cr)
24
0.00005
0.3
Phosphor (P)
15
0.00003
0.1
Mangan (Mn)
25
0.00003
0.2
29.5
NASA
Der solare Nebel, aus dem sich die Erde zusammenballte,
bestand aus gashaltigen festen Teilchen (Planetesimale,
durch Akkretion der Staubteilchen gebildet).
Als Folge der adiabatischen Materieverdichtung und
radioaktiver Prozesse (radioaktiver „Müll“ der SupernovaExplosion!) erhitzte sich die Erde und schmolz.
Leichtflüchtige Bestandteile reicherten sich durch Abdampfen
ins Weltall weiter ab
Während der darauf folgenden Abkühlungsphase erfolgte Entmischung der
Erdmaterie
Als vor 4 Milliarden Jahren die Erdkruste erstarrte, entstand durch
Ausgasen des Erdmantels die Uratmosphäre (Primordialatmosphäre)
Die äußere Hülle der Urerde enthielt genügend
zweiwertiges Eisen (FeO) aus kosmischem Staub,
um Methan und Ammoniak während des Ausgasens
zu Stickstoff, CO2 und Wasser umzusetzen.
4 FeO +
CH4
3 FeO + 2 NH3
CO2 + 2 H2O + 4 Fe
N2 + 3 H2O + 3 Fe
80% H2O
10% CO2
7% H2S
0.5% N2
0.5% H2
0.5% CO
CH4 und NH3 nur in Spuren
HCl, HF, SO2, Edelgase in Spuren
kein O2
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Vor 4 Milliarden Jahren war die Radioaktivität noch
wesentlich intensiver, die Erde noch viel heißer als heute.
Dies hatte kaum Einfluss auf die Oberflächentemperatur, aber
auf Vulkanismus, Bildung der Atmosphäre, geologische und
geochemische Prozesse
Foto: US National Park Service
Temperatur im Erdkern: 6000°C
Infolge des
Temperaturgradienten
im Erdmantel gibt es
walzenförmige
Konvektionsströme, die
gegenläufig rotieren –
Ursache der
Plattentektonik
Die Konvektionsströme
im äußeren Erdkern
verursachen das
erdmagnetische Feld,
Das uns vor der
kosmischen Strahlung
schützt
Aus: Die Dynamik der Erde, Spektrum Verlag, Heidelberg
Aus: Die Dynamik der Erde, Spektrum Verlag, Heidelberg
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„Schwimmt“ auf dem Erdmantel
Dicke unter dem Ozean 5-7 km, unter
Kontinentalebenen 30-40 km, unter
Gebirgen 50 km
Besteht zu 48,8% aus Sauerstoff, zu 26,3%
aus Silizium
Bausteine: Ca-, Na-, Mg-, K-, Ti- und Phaltige Silicate und Alumosilicate
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70% SiO2 „sauer“ (Erdkruste)
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50% SiO2 „basisch“
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<50% SiO2 „ultrabasisch“ (Erdmantel)
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86% Fe, 7% Ni, 1% Co, 6% S
Der innere Teil mit Radius 1400 km ist fest,
Druck 3,3 Millionen Bar, Temperatur 6000°C
Bei 6000°C und 1 Bar Druck wäre Eisen
gasförmig
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Hier falten sich Gebirge auf und es entstehen
Tiefseegräben
In der abtauchenden ozeanischen Platte werden die
oberflächennah gebildeten Minerale einem
steigenden Überlagerungsdruck ausgesetzt
wandeln sich in spezifisch schwerere
Hochdruckminerale um, die die Platte weiter nach
unten ziehen können
Stishovit (SiO2, Hochdruckmodifikation, Rutil-Typ (TiO2),
tetragonal)
KZ=6, Dichte 4,35 g/cm3
Quarz (SiO2, trigonal, auf der Erdoberfläche stabil)
KZ=4, Dichte 2,65 g/cm3
Dominantes Mineral des tiefen Erdmantels in 2300 km
Tiefe: Mg,Fe(SiO3)
KZ=6, Perowskit-Struktur (CaTiO3-Typ, orthorhombisch)
Perowskit-Struktur
Die Ca2+- und die O2--Ionen bilden zusammen eine kubischdichteste Packung, in deren O6-Oktaederlücken die kleinen
Ti4+-Ionen untergebracht sind (gelb Titan, rot Sauerstoff, rosa Calcium)
Quelle: Caroline Röhr, Universität Freiburg
Mittlere Dicke bzw.
Radius (km)
Atmosphäre
Hydrosphäre
Mittlere Dichte
(g/cm3)
>1000
3.8
1.03
Erdkruste
17
2.8
Erdmantel
2883
4.5
Erdkern
3471
11.0
Gesamterde
6371
5.514
Zum Vergleich: Dichte von Alpha-Eisen (krz)
bei Raumtemperatur: 7,873 g/cm3
durchschnittlicher geothermischer Gradient: 3°C pro 100 m Tiefe
Wärmestrom 0,06 Watt/m2 Erdoberfläche
(Solarkonstante: 1367 Watt/m2)
Bild: Niedersächsisches
Landesamt für Bodenforschung
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Lord Kelvin stellte 1855 eine Berechnung vor, die von einer
glutflüssigen, homogenen Erdkugel von 6000 Grad Celsius
Temperatur ausging und über die Wärmeleitfähigkeit von
Gesteinen die Zeit berechnete, die zum Erreichen des (aus
dem Bergbau bekannten) geothermischen Gradienten nötig
war.
Seine Ergebnis für die verstrichene Zeitspanne lag bei etwa
20-25 Millionen Jahren.
Dieses Alter brachte ihn in Konflikt mit der Geologie die
schon damals für ein sehr viel höheres Alter argumentierte.
Es existieren zusätzliche Wärmequellen, die die Abkühlung
verlangsamen: Entdeckung der Radioaktivität erst 1896
(Henry Becquerel)
2001 wurde von Labrosse et al. eine weitere Wärmequelle
vorgeschlagen: die Kristallisation des inneren Erdkerns,
Beginn vor 2,5 Milliarden Jahren
Venus und Erde (Größenvergleich)
Venus-Atmosphäre: 95% CO2, 100 Bar an der
Oberfläche, 480°C (durch den Treibhauseffekt)
Quelle: NASA
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Hätten sich Wasserdampf und/oder CO2 zu
irgend einem Zeitpunkt in hoher
Konzentration in der Atmosphäre
angereichert, so hätte dies zur „Wärmehölle“
auf der Erde geführt
ein Großteil des ausgasenden Wassers muss
demnach rasch kondensiert sein, der größte
Teil des ausgegasten CO2 hat die
Atmosphäre nur passiert und wurde
anschließend in den Sedimenten begraben
Ein nur mäßiger Treibhauseffekt ermöglichte
die Entstehung und Entwicklung des Lebens
bei geeigneten Temperaturen (die berechnete
Strahlungsgleichgewichts-Temperatur für
die heutige Erde ohne Treibhauseffekt
beträgt -18°C)
Höhen- und
Tiefenstufen der
Erde (heute)
vor 3,8 Milliarden Jahren
hatte sich die
Hydrosphäre gebildet
der Kreislauf des
Wassers über
Verdunstung,
Kondensation und
Niederschlag entzog der
Atmosphäre immer mehr
CO2
und brachte gelöste
Metallionen von den
Gesteinen der Kontinente
in die noch unbelebten
Urmeere
auf deren Boden sich
CaCO3 und MgCO3
absetzten und die reich
an Fe2+ waren
Jörg Ott, Meereskunde
Quelle:
Spektrum der
Wissenschaft:
Die Dynamik der
Erde
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Atmosphäre und Hydrosphäre vor 3,8 Milliarden Jahren
enthielten keinen elementaren Sauerstoff.
Sauerstoff liefernde Prozesse waren die Photolyse von
Wasserdampf und CO2
2 CO 2  UV Strahlung 2 CO  O2
2 H 2 O  UV Strahlung 2 H 2  O2
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zu unergiebig
der gebildete O2 reagierte sofort mit reduzierenden
vulkanischen Gasen H2, H2S
Hydrothermale Reaktionen in den Spreizungszonen der
mittelozeanischen Rücken
3 FeO  H 2 O  Fe3O4  H 2
In 2,5x109 Jahre alten Flussschottern (Konglomeraten) fand
man Uraninit UO2.
Die Körnchen wurden von Flüssen im Geröll weite Strecken
transportiert und dabei charakteristisch abgerundet.
Hätte die Atmosphäre Sauerstoff enthalten, so wäre das
Uran(IV) rasch zu Uran(VI) oxidiert worden.
Die Körnchen hätten sich aufgelöst, weil das entstehende
[UO2]2+ (Uranyl- Ion) im Gegensatz zum Uraninit gut
wasserlöslich ist.
Auch Schottersteine aus Pyrit FeS2 in solchen Sedimenten
beweisen die Abwesenheit von Sauerstoff.
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Die heutige Zusammensetzung der Atmosphäre ist
eine Folge der oxygenen Photosynthese, also des
Lebens auf der Erde.
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Wasser ist der Träger aller chemischen
Lebensvorgänge in den Organismen
Wasser löste das atmosphärische CO2 und
verhinderte zu großen Treibhauseffekt
Wasser löste CO2 und alle anderen Nährstoffe
Wasser wirkte aufgrund seiner hohen
Wärmekapazität stabilisierend auf das irdische
Klima (4184 J/(kg·K))
Wasser absorbierte das kurzwellige UV (200nm –
290nm) (die ersten Organismen lebten unter einer
10 m dicken Wasserschicht (UV Filter entspricht
der heutigen Atmosphäre)
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Mikroorganismen besiedeln die Erde
seit ca. 3,5 Milliarden Jahren
vielzellige Lebewesen erst seit etwa 0,7
Milliarden Jahren
Mikroorganismen haben durch ihren
Stoffwechsel die Entwicklung der
Hydrosphäre und Lithosphäre sowie
Atmosphäre schon früh beeinflusst
CO2 + 2 H2S + Licht
[CH2O] + H2O + 2 S
2 CO2 + 2 H2O + H2S + Licht
2 [CH2O] + H2SO4
CO2 + 2 H2 + Licht
[CH2O] + H2O
CO2 + 2 H2O + Licht
6 CO2 + 12 H2O +Licht
[CH2O] + H2O + O2
C6H12O6 + 6 O2 + 2 H2O
H0=+2870 kJ/mol
Viele Prozesse wie die N2- CO2- und S-Assimilation waren
bereits von Anbeginn des Lebens mit Lichtreaktionen,
einem Elektronenfluss und ATP verbunden.
Aber erst die Kopplung zweier lichtgetriebener Reaktionen,
d.h. die Kopplung zweier Photosysteme erzeugte die
notwendige Energie für die Oxidation von Wasser und die
Freisetzung von Sauerstoff.
Spuren in ältesten Gesteinen (3,5 Milliarden Jahre
alt) weisen darauf hin, dass cyanobakterielle
Ökosysteme sehr bald die frühe Erde beherrscht
haben könnten.
(Manfred Schidlowski, 1998)
Die ältesten eindeutigen Fossilien von
Cyanobakterien sind allerdings erst 2,1 Milliarden
Jahre alt
Bild: Die Dynamik der Erde, Spektrum Verlag,
Heidelberg
u.a. in Marokko, Westaustralien, den USA,
Kanada und Südafrika gibt es fossil
erhaltenen Stromatolithen des Archaikums
(4,0 – 2,5 Ga) und Proterozoikums (2,5 Ga
– 635 Mio Jahre)
(Reitner et al., 2010)
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Die biologische Kohlenstoff-Fixierung durch
die archaischen Stromatolithen zeigt, dass
prokaryotisches Mikrobenthos die Erde schon
vor etwa 3,5 Milliarden Jahren beherrscht hat.
Die Archaisch-Proterozoischen Funde bestehen
wahrscheinlich hauptsächlich aus
Cyanobakterien.
Vergleichbare mikrobielle Gesellschaften
gehören zu den produktivsten Ökosystemen
der heutigen Biosphäre. Besonders die
benthischen (= auf dem Meeresboden
lebenden) Cyanobakterien können die
erstaunliche Primärproduktivität von 10g C/m²
am Tag erreichen.
Die Photosynthese hat daher in quantitativer
Hinsicht während der nachfolgenden Evolution
des Leben nur wenig an Wichtigkeit dazu
gewonnen. (Manfred Schidlowski)
rezente Stromatholithen (Shark Bay in
Westaustralien)
Beschränken sich auf “high-stress“
Habitate
Quelle: www.fossilien.de
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Die frühen Cyanobakterien waren
anaerob, deckten ihren Energiebedarf
durch Gärung
Der von ihnen produzierte Sauerstoff
war für sie giftig
Durch den hohen Fe2+ Gehalt des
Ozeans war das zunächst kein
Problem, Fe2O3 wurde ausgefällt
Im Zeitraum 3,8 – 2 Milliarden Jahre
vor heute entstanden die Itabirite
(gebänderte Eisensteine)
70% der Welteisenerzförderung
Aus: Die Dynamik der Erde, Spektrum Verlag, Heidelberg
Aus: Die Dynamik der Erde, Spektrum Verlag, Heidelberg
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Vor 2 Milliarden Jahren war die
Sauerstoffproduktion so wichtig geworden,
dass auch die Atmosphäre O2 enthielt und kein
Fe2+ mehr in den Ozean nachgeliefert wurde
Viele Organismen gingen dann zur SauerstoffAtmung über
Die Glykolyse ist der einzige metabolische Weg, den alle
Organismen gemeinsam haben, was auf seine sehr
frühe Entstehung hinweist; existierte bereits in den ersten
Procaryoten vor 3,5-3,8 Milliarden Jahren.
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Die Sauerstoff-Atmung bedeutet
gegenüber der Gärung eine wesentlich
effektivere Ausnutzung der in den
Kohlenhydraten gespeicherten Energie.
Bei vollständiger Oxidation werden aus
einem Molekül Glucose 36 Moleküle
ATP gewonnen, bei der Gärung nur 2
Moleküle ATP (diese 2 ATP werden im
Zuge der Glykolyse gewonnen )
Atmung ist schon bei 1% des heutigen
O2 Partialdrucks möglich.
Infolge dieses Fortschritts nahm die
biologische Aktivität und damit auch
die Sauerstoff-Produktion sprunghaft
zu.
Rote Sandsteine im Grand Canyon,
1,3 Milliarden Jahre alt
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Der Sauerstoff verbindet sich mit dem Fe(II) der
Gesteine der Kontinente viel langsamer als mit in
Wasser gelöstem Fe(II).
Auch heute enthält die Erdkruste Fe(II) und Sulfide
noch in solchen Mengen, dass diese den gesamten in
der Atmosphäre enthaltenen Sauerstoff aufbrauchen
würden, wäre die Reaktion rascher.
Die Umsetzung (Verwitterung von Urgestein) erfolgt
jedoch so langsam, dass der dabei verbrauchte
Sauerstoff durch Photosynthese (bei gleichzeitigem
Begraben von organischem Kohlenstoff im
Sediment) laufend wieder ersetzt werden kann
(Fließgleichgewicht)
Der reduzierte Kohlenstoff wird nicht zur Gänze wieder zu CO2
oxidiert, sondern wandert zum Teil ins Sediment, wo er vor
Oxidation geschützt ist.
So kann der Sauerstoffverbrauch durch die Oxidation
reduzierender Krustenbestandteile und reduzierender
vulkanischer Gase ausgeglichen werden.
vor 2 Milliarden Jahren bis vor 1 Milliarde Jahren fehlte weitgehend
eine globale Zirkulation des Weltozeans.
Gleichzeitig begann vor 2 Milliarden Jahren die Sulfat-Zufuhr zum
Ozean durch die einsetzende oxidative Verwitterung der Gesteine
der Kontinente.
Durch dissimilatorische Sulfatreduktion entstanden hohe H2S
Gehalte in tieferen sauerstofffreien Wasserschichten, dies führte zur
Bildung schwerlöslicher Sulfide von Mo, Fe, Cu, Zn.
Durch den Mangel an Mikronährstoffen im Ozean verzögerte sich
vermutlich die Entwicklung der Eukaryoten, die erst vor 1,4
Milliarden Jahren die Bildfläche betraten.
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z.B. Desulfovibrio
Elektronendonor sind molekularer Wasserstoff H2
oder organische Verbindungen wie Produkte
anderer mikrobiellerProzesse (z.B. Lactat).
SRB sind anaerobe Bakterien und leben im
sauerstofffreien Grundbereich von Seen und
Meeren. Heutiges Beispiel: Schwarzes Meer. Das
entstehende Sulfid führt zur Ausfällung von
Eisen(II) als Eisensulfid
Aus: Die Dynamik der Erde, Spektrum Verlag, Heidelberg

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