Meteorieten gaven aarde eerstehulp

Een chemische vingerafdruk in een 4 miljard jaar oude steen uit Groenland lost een groot raadsel op: hoe koolstof en water de aarde bewoonbaar maakten. De vondst kan ook aangeven waar we naar buitenaards leven moeten zoeken.

Een chemische vingerafdruk in een 4 miljard jaar oude steen uit Groenland lost een groot raadsel op: hoe koolstof en water de aarde bewoonbaar maakten. De vondst kan ook aangeven waar we naar buitenaards leven moeten zoeken.

SPL

Steeds opnieuw licht de hemel op boven de kale aardbodem. Het ene kosmische rotsblok na het andere dringt door de ijle, giftige atmosfeer heen en ontvlamt.

De planeet beeft onder de talloze inslagen, maar het bombardement laat niet alleen een hel van vernietiging achter – het legt ook de kiem voor het leven; de meteorieten nemen chemische verbindingen mee die de jonge aarde nodig heeft om zich te ontpoppen tot het blauwgroene paradijs van de toekomst.

Uit verschillende onderzoeken is eerder gebleken dat de prille aarde een kurkdroge bodem had en pas heel lang na het ontstaan verrijkt werd met zuurstof en waterstof.

Nu heeft een internationaal team onder leiding van de geoloog Mario Fischer-Gödde van de universiteit van Keulen eindelijk het bewijs gevonden in een spectaculaire steen die bij de hoofdstad van Groenland, Nuuk, werd aangetroffen.

Het regende miljoenen koolstofchondrieten op de jonge aarde, waardoor de bodem nat en vruchtbaar werd.

© Ritzau Scanpix

Leven kwam van buitenste delen van het zonnestelsel

De aarde was niet altijd een oase van leven, zoals nu. De jonge planeet was vloeibaar, waardoor sommige cruciale elementen naar de kern zonken, terwijl andere helemaal ontbraken. Daardoor was het hier een dorre boel. Uit onderzoek blijkt nu dat een bombardement van koolstofchondrieten zuurstof, waterstof en misschien zelfs aminozuren aanleverde vanuit de verre uithoeken van het zonnestelsel. Zuurstof en waterstof vormden water, en aminozuren vormden bouwstenen voor eiwitten.

Deze vondst staat niet alleen centraal in de geschiedenis van de aarde, maar kan ook belangrijk worden voor de zoektocht naar buitenaards leven.

Fineer als groeibodem voor leven

Het meteorietenbombardement dat water naar de aarde heeft gebracht, wordt in het Engels the late veneer genoemd.

Het woord late vertelt dat het materiaal met vertraging is aangeleverd ten opzichte van het merendeel van de massa van de aarde, dat vrijwel in één veeg bij elkaar werd geharkt toen de planeet 4,54 miljard jaar terug werd gevormd.

Veneer betekent fineer, een dun laagje hout op onder meer meubels.

Cruciale stoffen deden de aarde pas laat aan

De vondst van een bepaald type gesteente in Groenland geeft aan dat de aarde niet ineens ontstond, maar dat een meteorietenbombardement de cruciale stoffen afleverde.

© ken ikeda madsen

Brokstukken vormden de aarde

De aarde ontstond toen materiaal dat op ongeveer dezelfde afstand van de zon ronddraaide, zich onder invloed van de zwaartekracht ging samenpakken. Doordat de aarde gloeiend heet en vloeibaar was, zonken zware elementen als ijzer en goud naar het midden toe, waar ze de kern vormden.

© ken ikeda madsen

De maan ontstond door een botsing

Enkele miljoenen jaren na zijn vorming botste de aarde op Theia, een planeet ter grootte van Mars. Zelfs als de aarde van meet af aan al water had gehad, zou dit zijn verdampt. Theia’s ijzeren kern zonk weg naar het hart van de aarde, terwijl lichter materiaal de ruimte in vloog en de maan vormde.

© ken ikeda madsen

Meteorieten gaven de bodem leven

Na nog een paar miljoen jaar trof een meteorietenregen, the late veneer of het late fineer, de aarde. De meteorieten bevatten elementen die hier in de aardkern waren verdwenen. De toevoer van nieuwe elementen veranderde de chemische samenstelling van de aardmantel enorm.

© ken ikeda madsen

Doorslaggevend bewijs duikt op in Groenland

In 2019 vinden onderzoekers een steen in Groenland die sporen bevat van de mantel zoals die eruitzag in het late fineer. Daarmee valt te bewijzen dat de meteorietenregen echt plaatsvond en veel zogeheten koolstofchondrieten bevatte.

Voor de aarde was het fineer een dun laagje van verschillende elementen, dat cruciaal was voor het ontstaan van het leven.

Het idee dat meteorieten de aarde met een ‘laat fineer’ bedekten, stak ooit de kop op doordat edelmetalen als goud en platina dicht bij het aardoppervlak te vinden zijn.

Toen de aarde ontstond, belandden alle zware metalen in de kern.

Dat ze zijn weggezakt, komt door de manier waarop de binnenste rotsplaneten van het zonnestelsel zijn ontstaan.

Stof verzamelt zich tot planeten

Toen de nieuwbakken zon 4,6 miljard jaar geleden ontbrandde, was hij omringd door een zogeheten protoplanetaire schijf van stof.

Terwijl die schijf rond de zon draaide, pakte het materiaal zich samen tot steeds grotere brokken, tot één groot hemellichaam domineerde in een bepaalde baan om de zon.

De aarde zoog zijn omgeving op zo’n 150 miljoen kilometer van de zon vandaan leeg, terwijl Mars bijvoorbeeld een baan op 225 miljoen kilometer van de zon bezette.

De aarde zou de aarde niet zijn zonder de belangrijke stoffen die het meteorietenbombardement heeft aangevoerd. Het zou een levenloze bol zijn, en veel belangrijke metalen zouden ontbreken.

© shutterstock

Goud is het belangrijkste edelmetaal op aarde, zowel economisch als industrieel. Het is elektrisch geleidend, vervormbaar en het roest niet.

© shutterstock

Rhenium is een van de meest hittebestendige stoffen die we kennen, met een smeltpunt van 3186 °C. Het wordt onder meer gebruikt in straalmotoren.

© shutterstock

Platina zit niet alleen in juwelen, maar ook in filters van dieselauto’s en in brandstofcellen die waterstof in schone energie omzetten.

© shutterstock

Koolstof is het ‘geheime ingrediënt’ van organische verbindingen en dus van het leven op aarde, maar zit ook in koolstofvezels en andere producten.

De aarde veegde zijn baan zo vlug schoon dat hij smolt door de energie van de erop knallende brokken. In een vloeibare planeet zinken zware elementen naar binnen toe in een proces dat differentiatie heet.

Het ging vooral om ijzer, dat wegzakte en de aardkern vormde, terwijl lichtere elementen als zuurstof, silicium en aluminium opstegen en de twee buitenste lagen vormden: de korst en de mantel.

Deze sortering van de elementen kwam vermoedelijk enkele miljoenen jaren na de vorming van de planeet tot een halt.

3 mln dinosaurusdodende planetoïden op 10 kilometer – zo heftig was het ‘fineer’.

Samen met het ijzer verdwenen ook de meeste elementen van het oppervlak die scheikundigen ‘ijzerminnend’ noemen.

Een daarvan is het witte, harde ruthenium, een element dat een doorslaggevende rol speelt in de nieuwe ontdekking.

Zoeken naar tijdcapsules

Ruthenium behoort tot de groep van lichte platinametalen en komt van nature voor in zeven stabiele isotopen, ofwel varianten van een element met een verschillend aantal neutronen in de atoomkern.

Dankzij die variatie hebben de isotopen een verschillend gewicht en gedragen ze zich iets anders in scheikundige reacties.

Wanneer een sterrenstelsel gevormd wordt, ontstaan er allerlei piepkleine verschilletjes in de isotopenverdeling van elementen in verschillende hemellichamen.

Dat geldt ook voor isotopen van ruthenium.

Het team uit Keulen keek daarom naar de verdeling van isotopen in verschillende groepen meteorieten, om zo te achterhalen wanneer het bombardement de aarde heeft getroffen, om welk type meteorieten het ging en waar ze precies vandaan kwamen.

© Ken Ikeda Madsen & Agilent

Onderzoekers tellen afzonderlijke atomen

Om de samenstelling van een gesteentemonster te bepalen, gebruiken onderzoekers een massaspectrometer. Die stuurt gassen van verschillende stoffen in het verpulverde monster door een magnetische hindernisbaan.

© Ken Ikeda Madsen & Agilent

Laser en plasma zetten steen om in gas

Een laser laat wat gesteente verdampen. Het gas wordt geleid naar 10.000 °C heet argonplasma, dat de elementen van de steen omzet in ionen; die worden in de massaspectrometer geschoten.

© Ken Ikeda Madsen & Agilent

Ongewenste stoffen nemen een afslag

Het gas trekt door een magneetveld, dat ionen van ongewenste stoffen op grond van massa en lading afbuigt. Lichte ionen en ionen met drie extra elektronen slaan als eerste af.

© Ken Ikeda Madsen & Agilent

Detectoren registreren ionen

Detectoren tellen de gewenste ionen. Sommige massaspectrometers kunnen isotopen van metalen als ruthenium opsporen in gehaltes van nog geen biljoenste van het monster.

Voordat het team kon bewijzen dat het meteorietenbombardement inderdaad had plaatsgevonden, moest het de vingerafdruk van ruthenium voor drie geochemische tijdcapsules vergelijken.

Tot twee tijdcapsules hadden onderzoekers al toegang: de huidige aarde en een bepaalde groep meteorieten, koolstofchondrieten.

Dit meteoriettype kan wel voor 22 procent uit water bestaan en is daarmee een uitstekende kandidaat om het fineer naar de aarde te hebben gebracht.

22 procent water bevatten de koolstofchondriet-meteorieten.

Maar om het verband goed te begrijpen hadden de onderzoekers de derde capsule nog nodig – een voorbeeld van het gehalte ruthenium op de jonge aarde. En hier kwam de Groenlandse steen als geroepen.

Oude chemie komt boven

De Deense geoloog Kristoffer Szilas van de universiteit van Kopenhagen ontdekte met zijn collega’s namelijk een bijzonder stuk gesteente bij Nuuk.

De bergen achter de stad bevatten een deel van de oudste aardkorst en kunnen daarmee een uniek kijkje geven in de vroegste geschiedenis van de aarde.

Het gesteente in het gebied bestaat met name uit tonalitisch gneis: een gesteente dat vrij licht van kleur en gewicht is, en dat bestaat uit magma dat gestold is onder de grond.

Vervolgens is de aardbodem deels omgezet door druk en temperatuur. In het gneis bevonden zich kleine ‘lenzen’ van een donkerder, nog ouder gesteente.

Het is niet precies bekend hoe dit gesteente met lenzen is ontstaan, maar volgens Kristoffer Szilas is het een rest van de allereerste landmassa.

Lang voordat de platentektoniek op gang kwam en de continenten ontstonden, was de aarde bedekt door een zee van magma, dat van bovenaf stolde.

De korst van gestold magma werd zo dik en aan de onderkant zo heet dat mineralen met een laag smeltpunt weer vloeibaar werden en nieuw magma vormden met een heel andere chemische samenstelling.

Het nieuwe magma bracht het Groenlandse tonalitische gneis voort, dat volgens Kristoffer Szilas lenzen van het donkere gesteente in zich opnam.

Of de lenzen net zoals het tonalitische gneis 3,8 miljard jaar oud zijn of nog ouder, doet er niet zo veel toe.

Belangrijk is dat ze diep in de aarde lagen, op misschien wel 30 kilometer, toen de meteorieten tijdens het late fineer insloegen en dus niet beïnvloed zijn door de toen aangevoerde elementen.

De lenzen hebben niet alleen miljarden jaren overleefd, maar er is ook 30 kilometer van het oppervlak weggeërodeerd, waardoor het oeroude gesteente vandaag de dag voor het oprapen ligt.

30 kilometer kilometer van Groenland is de laatste 4 miljard jaar weggeërodeerd.

Toen het onderzoeksteam van Kristoffer Szilas een gesteentemonster meenam naar het laboratorium en het op verschillende elementen onderzocht, bleek daarin precies te zitten wat er werd gezocht.

Geoloog Kristoffer Szilas toonde met behulp van een 4 miljard jaar oude Groenlandse steen aan hoe de jonge aarde eruitzag.

© Kent Pørksen

De steen bevatte isotopen van ruthenium en vormde daarmee de derde geochemische tijdcapsule van de jonge aarde.

Aarde is een kosmische cocktail

Het team onderzocht de verhouding van de isotopen ruthenium-100 en -­101 alsmede ruthenium-101 en -102 in de tijdcapsules van de jonge aarde, de huidige aarde en de koolstofchondrietmeteorieten.

Als geologen het hebben over isotopenverhoudingen, bedoelen ze afwijkingen in de monsters ten opzichte van de standaard.

In het geval van ruthenium is de standaard de gemiddelde verdeling van de isotopen in de aardmantel. Als de isotopenverhouding in de mantel van de huidige aarde nul is, liggen andere verhoudingen erboven of eronder.

De vingerafdruk van ruthenium wordt vervolgens in een coördinatenstelsel met twee assen ingevoerd. Als we de huidige samenstelling van ruthenium in de aarde en de samenstelling in de koolstofchondrieten erin zetten, komt er een rechte lijn uit. Op die lijn ligt ook de rutheniumverhouding in de Groenlandse steen, maar dan in de tegenovergestelde richting van de koolstofchondrieten.

Dus de huidige verdeling van rutheniumisotopen is een perfecte mix tussen de oorspronkelijke chemie van de aarde, zoals te zien in de Groenlandse steen, en de chemie die werd aangereikt door de koolstofchondrieten.

Jupiter stuurde ons meteorieten

Het onderzoek bewijst niet alleen de theorie van het late fineer met zijn chondrieten, maar geeft ook aan hoeveel massa van de huidige aarde hierheen is gebracht door het bombardement.

Naar schatting maken de meteorieten 0,3 procent van het gewicht van de aarde uit: 20 triljard ton bij elkaar.

Een vraag die Kristoffer Szilas en zijn team echter niet hebben beantwoord, is waarom het bombardement plaatsvond, want al zijn er nu ook koolstofchondrieten in de planetoïdengordel tussen Mars en Jupiter, een onderzoek uit 2019 onder leiding van astrochemicus Thomas S. Kruijer van Lawrence Livermore National Laboratory in de VS wijst uit dat die in ons stelsel gevormd zijn op de grootste afstand van de zon.

© ken ikeda madsen

Jupiter gooide stenen

Koolstofrijke meteorieten als koolstofchondrieten stammen van het buitenste zonnestelsel. Ze zijn naar de zon toe geslingerd door Jupiters gravitatieveld, waar ze het leven een kickstart gaven.

Lichtere stoffen verdwijnen uit het binnenste stelsel

In de eerste miljoenen jaren van het bestaan van het zonnestelsel wordt materiaal zodanig gesorteerd dat het gebied het dichtst bij de zon weinig lichte stoffen krijgt, zoals koolstof.

Koolstof pakt zich samen in buitenste zonnestelsel

De lichtere elementen worden geconcentreerd in de buitengebieden van het zonnestelsel en vormen planetoïden en kleine planeetjes met onder meer veel koolstof.

Jupiter geeft de aarde koolstof

Naarmate Jupiter groeit, slingert zijn zwaartekracht materiaal van het buitenste zonnestelsel naar binnen. Jupiter zelf kan naar de zon toe zijn getrokken en vervolgens weer afstand hebben genomen.

Kruijer en zijn collega’s verklaren dit met behulp van een model van het piepjonge zonnestelsel en de groei van de grootste onder de planeten, Jupiter. In 500.000 jaar had Jupiter wel 20 keer zo veel massa als de aarde bijeen weten te krijgen en voorkwam hij met zijn gravitatieveld dat materiaal van het binnenste en buitenste zonnestelsel met elkaar vermengd zou raken.

Jupiter groeide door en had na 2 miljoen jaar al 50 keer zo veel massa als de aarde. Volgens het model werd Jupiters baan daardoor zo instabiel dat hij koers zette naar de zon.

Deze storing plantte zich voort als ringen in het water, en materiaal vanuit het buitenste zonnestelsel vloog mee naar binnen. Daardoor steeg het aantal meteorietinslagen op de binnenste planeten ineens: het late fineer.

Daarmee blijkt Jupiter, nu 318 keer zo groot als de aarde, van enorm belang te zijn geweest voor het leven op aarde.

Zonder de inmenging van deze reuzenplaneet hadden we nu geen goud, platina en – belangrijker nog – water op aarde gehad.

Meer kans op buitenaards leven

De som van de verdeling van materie in het jonge zonnestelsel klopt nu veel beter. Maar het onderzoek leverde ook nieuwe kennis op, die op termijn nog belangrijker kan zijn.

Want het bewijs van het late fineer duidt erop dat de meeste stoffen die cruciaal zijn voor leven, pas vrij laat in zijn vorming op de aarde zijn afgezet.

Hoe later de levensvoorwaarden naar de aarde kwamen, des te sneller het leven zich daarna heeft ontwikkeld. Dat betekent dat exoplaneten in verre sterrenstelsels, die tot dusver te jong werden geacht om leven te kunnen huisvesten, een nader onderzoek waard zijn. En ook dichter bij huis komen er wellicht grote ontdekkingen aan.

Mars bevindt zich net als de aarde in de bewoonbare zone, en hier kan het leven zeer kort gebloeid hebben tussen het moment waarop de planeet 4 miljard jaar geleden water kreeg en het tijdstip dat Mars zijn magnetisch veld en atmosfeer kwijtraakte.