Antarktisstudie zeigt, wie viel Weltraumstaub jedes Jahr auf die Erde trifft

Die Erdoberfläche ist ständig mit Weltraumstaub besprengt. Außerirdisches Material hat im Laufe seiner milliardenschweren Geschichte auf unseren Planeten geregnet – und die Himmelsdusche dauert jeden Tag an. Beträchtliche Fels- und Metallbrocken sind die dramatischsten Beispiele. Sie erscheinen als brillante Sternschnuppen während ihres feurigen Durchgangs durch die obere Atmosphäre und erreichen gelegentlich den Boden, um Meteoriten zu werden. Aber das meiste Weltraummaterial, das auf die Erde fällt, ist ziemlich klein und submillimeter groß.

In der Vergangenheit haben Forscher versucht, die Menge solcher Mikrometeoriten zu messen, die im Laufe der Zeit die Erde erreichen, aber das Parsen von kosmischem Staub ist auf einem Planeten, der ständig Staub von sich selbst wirbelt, schwierig.

Nun, in einer kürzlich veröffentlichten Studie in Earth and Planetary Science LettersEin Team, das die Ansammlung von Mikrometeoriten im unberührten Schnee der Antarktis misst, hat die bisher beste Schätzung für ankommende außerirdische Trümmer geliefert. Mit sauberen Probenahmetechniken und genauem Alter für Staubablagerungen berechneten die Forscher, dass jedes Jahr rund 5.200 Tonnen Mikrometeoriten auf die Erde fallen.

Der perfekte Ort für Weltraumstaub

Polarregionen wie Grönland und die Antarktis, die das ganze Jahr über mit Eis bedeckt sind, sind aufgrund ihrer geografischen Isolation und Stase Hotspots für die Mikrometeoritenforschung. Knappes Material von anderswo auf der Erde erreicht diese abgelegenen Regionen und ermöglicht es den kaum wechselnden Eisplatten, Weltraumstaub mit minimaler Kontamination aufzusaugen. Das anhaltende Eis gibt Forschern auch die Möglichkeit, das Alter von Mikrometeoriten zu bestimmen, das durch jährliche Schneeschichten gekennzeichnet ist, die Jahr für Jahr bestehen bleiben.

Obwohl beide Pole Potenzial für die Mikrometeoritenforschung haben, bevorzugt Jean Duprat, Kosmochemiker an der Universität Paris-Saclay, das südliche Eis. „Der Südpol ist bei weitem der beste, weil Sie von Ozeanen umgeben sind – Sie sind vollständig vom Festland isoliert“, sagt Duprat, Mitautor der Studie.

In drei Feldsaisonen, die sich über die letzten zwei Jahrzehnte erstreckten, besuchten Duprat und seine Kollegen die französisch-italienische Concordia-Station in der Region Dome C in der Antarktis, um Mikrometeoriten zu sammeln. Dome C liegt 1.100 Kilometer landeinwärts auf dem Kontinent und erhebt sich mehr als drei Kilometer über dem Meeresspiegel. Es eignet sich praktisch perfekt zum Sammeln von kosmischem Staub.

Julien Rojas, Doktorand an der Universität von Paris-Saclay und Hauptautor der Studie, stellt fest, dass der Schneefall in Dome C „eine recht niedrige Akkumulationsrate aufweist, aber ausreicht, um die Partikel abzuschirmen und zu konservieren“. Die daraus resultierende Dünnheit der Schneeschicht jedes Jahres, so Rojas, ermöglichte es dem Team, jahrzehntelange jährliche Mikrometeoritenablagerungen an einem Ort zu sammeln, ohne große Mengen Eis schmelzen zu müssen.

Eine Nahaufnahme von kosmischem Staub

Die Forscher begannen ihre Arbeit mit Ablagerungen, die Jahre vor 1995 datiert waren, und gruben dann tiefere, frühere Schichten aus. Dies sollte jegliche Kontamination des Menschen durch die Einrichtung der Feldstation in Concordia vermeiden, die 1996 ernsthaft begann.

Im Laufe der Jahre stellte Duprat fest, dass die Forscher selbst versehentlich kleine, aber erhebliche Mengen an Erdstaub in den Standort importierten und ihre Proben kontaminierten. Sorgfältige Anpassungen bei der Sammlung und Handhabung behebten schließlich das Problem: Jede Schneeprobe wurde in einem Polyethylenfass versiegelt und dann zum Schmelzen und Sieben in einen Reinraum transportiert.

Nachdem der Staub aus dem Schnee gefiltert worden war, analysierte das Team mithilfe von Elektronenmikroskopie, Röntgenspektroskopie und anderen Techniken mehr als 2.000 Partikel im Bereich von 12 bis 700 Mikrometer. Staub aus dem Weltraum weist normalerweise mehrere verräterische Werbegeschenke auf – zum Beispiel eine Kugelform (durch Schmelzen beim Eintritt in die Atmosphäre) oder eine deutlich überirdische Verteilung chemischer Isotope. Die Reihe der Analysemethoden ermöglichte es dem Team, nicht nur kosmischen Staub zu identifizieren, sondern auch den wahrscheinlichsten Ursprung jedes außerirdischen Partikels zu verfolgen.

„Wir haben versucht, uns auf die ungeschmolzenen Mikrometeoriten zu konzentrieren, die in anderen Sammlungen schlecht gesammelt werden, weil sie sehr zerbrechlich sind und leicht zerstört werden können“, sagt Rojas. “Unser Sammelprotokoll ermöglicht es uns, es zu bewahren.”

Das Team stellte fest, dass mehr als 60 Prozent des Staubes wahrscheinlich von Kometen der Jupiter-Familie stammen, die durch den Gravitationseinfluss des Riesenplaneten in Umlaufzeiten von weniger als 20 Jahren getrieben werden. Ungefähr 20 Prozent des Staubes stammten wahrscheinlich vom Haupt-Asteroidengürtel. “Der Staub von Kometen ist flauschiger als von Asteroiden”, sagt Rojas und fügt hinzu, dass das Kometenmaterial auch reich an organischer Substanz ist, was typisch für Kometen der Jupiter-Familie ist.

“Meteoriten und kosmischer Staub sind diese wirklich schönen, ergänzenden Sätze von Astromaterialien”, sagt Marc Fries, Planetenwissenschaftler und Kurator der Cosmic Dust Collections der NASA, wer war nicht an der Studie beteiligt. Er erklärt, dass Asteroiden dazu neigen, zusammenhängende, felsige Körper zu sein, die Brocken und Scherben auf der Erdoberfläche hinterlassen. “Kometen sind nicht so kohäsiv”, sagt er und fügt hinzu, dass sich das lose “flauschige” Material leicht auflöst und zu Ablagerungen von kosmischem Staub führt.

Organische Verbindungen aus kosmischem Staub könnten für die Entstehung des Lebens auf der Erde von entscheidender Bedeutung gewesen sein, sagt Fries. Fallender Weltraumstaub “fügte der Erdoberfläche wahrscheinlich ein beträchtliches Kontingent der gesamten Menge an flüchtigen Stoffen hinzu: Wasser, Kohlenstoff und andere Materialien, die für die präbiotische Chemie und den Aufstieg des Lebens wichtig waren”, fügt er hinzu. “Wenn wir die gesamte Zusammensetzung dieser Partikel verstehen, erhalten wir eine Momentaufnahme der Zusammensetzung des inneren Sonnensystems – insbesondere der kleinen Körper.”

Nachdem die Forscher den Staub erfolgreich extrahiert und seine Häufigkeit anhand der Jahresuhr gemessen hatten, die durch die jährlichen Schneefälle in Kuppel C eingestellt wurde, konnten sie den Fluss des ankommenden außerirdischen Staubes berechnen. Bei der Skalierung der Dome C-Messungen auf den gesamten Planeten stellte das Team fest, dass jedes Jahr zwischen 4.000 und 6.700 Tonnen Weltraumstaub auf die Erde fallen.

Der Bereich der Staubtonnage ist im Wesentlichen eine Frage der Statistik, was die inhärente Schwierigkeit widerspiegelt, einen globalen Effekt aus einer sehr komplexen Reihe begrenzter lokaler Messungen zu extrapolieren. „Je nach Schneevolumen würde man eine gewisse Unsicherheit erwarten, wenn man nur die Partikel zählt“, sagt Rojas.

Kate Burgess, eine Geologin am US Naval Research Laboratory, die nicht an der Forschung beteiligt war, ist von der Studie beeindruckt, warnt jedoch davor, dass ihre Schätzung nicht das letzte Wort sein kann. “Hunderte und Hunderte von Partikeln zählen – es ist einfach so viel Arbeit, zu versuchen, genügend Partikel zu erhalten, um genügend Statistiken zu haben, um statistische Fehler in dieser Anzahl zu beseitigen”, stellt sie fest.

Insbesondere, so Burgess, kann der Staubeintrag von Kometen im Laufe der Zeit schwanken, abhängig von den Schwankungen der Orbitalmechanik, den Ausgasungsraten der Kometen und einer Vielzahl anderer Variablen, die nicht unbedingt gut verstanden werden. “Diese [are] vorübergehende Quellen “, erklärt sie. “Wenn sie aus einem bestimmten Kometen der Jupiter-Familie stammen, kommen diese regelmäßig und relativ regelmäßig, aber nicht ständig vorbei.”

Ein kleiner Schritt

Während diejenigen in der außerirdischen Staubgemeinschaft wissen, dass jedes Jahr Tausende Tonnen Staub auf der Erde landen, lobt Burgess die Forscher dafür, dass sie „die Zeitspanne, in der sich diese Mikrometeoriten ansammelten, strenger einschränken können als einige der vorherigen Studien . ”

“Aus unserer Sicht innerhalb der Community ist dies eine wirklich gute Arbeit”, sagt sie. Fries stimmt dem zu und fügt hinzu, dass “die wissenschaftliche Gemeinschaft seit langem den Wunsch hat, genau die Art von Proben zu erhalten, die dieses Team gesammelt hat” – das heißt, Proben, die frisch, sauber und mit akribischer Präzision und Sorgfalt gesammelt sind.

Zufälligerweise jährt sich in diesem Jahr die Cosmic Dust Collections der NASA zum 40. Mal. Schon jetzt, sagt Fries, fragen sich seine Kollegen, wie sie einige dieser kostbaren Exemplare vom Südpol erwerben könnten. “Diese werden von Wissenschaftlern gesucht”, sagt er. “Das ist sehr aktuell.”

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