Erdhülle

Als Erdhülle werden die Lithosphäre (bestehend aus Erdkruste und oberstem Erdmantel) bis in 16 km Tiefe, die Hydrosphäre (fließende und stehende Gewässer), die Atmosphäre (Lufthülle) und die Biosphäre (Fauna und Flora) der Erde zusammengefasst.

Zusammensetzung

Die Erdhülle ist aus mehr als 90 chemischen Elementen und/oder deren Verbindungen aufgebaut, von denen acht einen Massenanteil von jeweils mehr als 1 Prozent haben und zusammen rund 98 Massenprozent der Erdhülle ausmachen. Von diesen acht Elementen sind Sauerstoff mit 49 Prozent und Silicium mit 26 Prozent die beiden häufigsten Elemente, gefolgt von Aluminium (7,6 %), Eisen (4,7 %), Calcium (3,4 %), Natrium (2,6 %), Kalium (2,4 %) und Magnesium (1,9 %).

Zu den seltensten Elementen auf der Erde gehören neben den sehr seltenen Zwischenprodukten radioaktiver Zerfallsreihen wie zum Beispiel Astat (3e^-21 ppmw), dem seltensten Element in der Erdhülle, die Edelgase Xenon (9e^-6 ppmw) und Krypton (1.9e^-5 ppmw) sowie Rhodium (0,001 ppmw), das seltenste nicht-radioaktive Metall der Erdhülle.

Veränderung auf geologischen Zeitskalen

Radioaktivität

Elemente aus den Zerfallsreihen der langlebigen natürlichen Radionuklide ²³⁸U, ²³²Th und ²³⁵U sind in niedrigen aber (näherungsweise) konstanten Konzentrationen vorhanden. Zum Beispiel enthalten Uranerze etwas mehr als 300 Milligramm Radium pro Tonne Uran. Die gleiche Menge die durch Zerfall der schwereren Elemente der Kette „produziert“ wird, zerfällt auch wieder. Allerdings verringert sich auf geologischen Zeitskalen die Menge verfügbaren Urans bzw. Thoriums. Bei Entstehung der Erde war in Vergleich zu heute doppelt so viel ²³⁸U und beinahe zehnmal so viel ²³⁵U vorhanden. Der Endpunkt dieser Zerfallsreihen sind verschiedene Bleiisotope, so dass auf geologischen Zeitskalen der Bleianteil entsprechend ansteigt. Da das langlebigste bekannte Protactinium-Isotop ²³¹Pa ausschließlich als Zerfallsprodukt von ²³⁵U in Erscheinung tritt, war der Gehalt der Erdhülle an Protactinium, der sich zu jenem von Uran-235 in etwa im Verhältnis 1:21800 befindet, in der geologischen Vergangenheit entsprechend höher. Argon – heute mit über 1 % der Atmosphäre noch vor CO₂ das dritthäufigste Gas in trockener Luft – ist im Universum hauptsächlich als ³⁶Ar vorhanden. Auf Erden ist jedoch der bei weitem größte Teil des vorhandenen Argon ⁴⁰Ar. Dieses entsteht bei etwas mehr als 10 % der Zerfälle des langlebigen Kalium-Isotops ⁴⁰K, welches heute noch rund 120 ppm des irdischen Kaliums ausmacht, vor viereinhalb Milliarden Jahren aber wohl eine Größenordnung häufiger war. Das häufigere Zerfallsprodukt ⁴⁰Ca hat hingegen deutlich weniger Einfluss, da Calcium ohnehin ein in der Erdhülle häufiges Element ist.

Da das Hauptprodukt von radioaktiven Zerfall schwerer Elemente neben dem Tochternuklid zumeist ein Alphateilchen ist, wird Helium auf der Erde beständig neu gebildet. Allerdings entweicht Helium aus der Hochatmosphäre in den interplanetaren Raum, da die Gravitation der Erde nicht ausreicht, es dauerhaft festzuhalten. Insgesamt ergibt sich hierbei ein dynamisches Gleichgewicht, welches jedoch vom Menschen gestört wird, da durch den Abbau von diversen Rohstoffen die Menge an in Gestein „gefangenem“ Helium, welche ausgast erhöht wird. Darüber hinaus wird bei der Gewinnung von Erdgas auch teilweise das sich in den Reservoirs ansammelnde Helium kommerziell genutzt.

Interaktion zwischen kosmischer Strahlung / Sonnenwind und Erdatmosphäre

Auch durch die Interaktion von Sonnenwind bzw. kosmischer Strahlung und der Atmosphäre verändert sich die Zusammensetzung der Erdhülle. Die bekannteste dieser Reaktionen dürfte – aufgrund ihrer Bedeutung für die Radiokarbondatierung – die Reaktion ¹⁴N(n,p)¹⁴C sein. Da jedoch „in Summe“ das Produkt des Betazerfalls von ¹⁴C wieder ¹⁴N ist, findet hierbei keine dauerhafte Veränderung der elementaren Zusammensetzung der Erdhülle statt. Anders verhält es sich mit Spallationsreaktionen, die zum Beispiel aus ¹⁴N oder ¹⁶O neben Alphateilchen, Protonen, Neutronen o. ä. auch ¹⁰Be erzeugen. ¹⁰Be wiederum ist langlebig aber instabil und zerfällt im Verlaufe der Jahrmillionen zu ¹⁰B, welches stabil ist. Dadurch nimmt auf lange Zeitskalen betrachtet der Anteil an Bor leicht zu, da es keine irdischen Prozesse gibt, die Bor in größeren Mengen zerstören als es durch die oben beschriebene Reaktion erzeugt wird.

Isotope, welche durch Einwirkung kosmischer Strahlung in der Erdatmosphäre entstehen können
Isotop	Form der Entstehung	Halbwertszeit	Zerfallsprodukt
³H (Tritium)	¹⁴N(n,T)¹²C	12,3 Jahre	³He
⁷Be	Spallation (N und O)	53,2 Tage	⁷Li
¹⁰Be	Spallation (N und O)	1.387.000 Jahre	¹⁰B
¹²B	Spallation (N und O)	20 Millisekunden	¹²C
¹¹C	Spallation (N und O)	20,3 Minuten	¹¹B
¹⁴C	¹⁴N(n,p)¹⁴C und ²⁰⁸Pb(α,¹⁴C)¹⁹⁸Pt	5.730 Jahre	¹⁴N
¹⁸F	¹⁸O(p,n)¹⁸F und Spallation (Ar)	110 Minuten	¹⁸O
²²Na	Spallation (Ar)	2,6 Jahre	²²Ne
²⁴Na	Spallation (Ar)	15 Stunden	²⁴Mg
²⁷Mg	Spallation (Ar)	9,4 Minuten	²⁷Al
²⁸Mg	Spallation (Ar)	20,9 Stunden	²⁸Al*
²⁸Al	Zerfall von ²⁸Mg	2,2 Minuten	²⁸Si
²⁶Al	Spallation (Ar)	717.000 Jahre	²⁶Mg
³¹Si	Spallation (Ar)	157 Minuten	³¹P
³²Si	Spallation (Ar)	153 Jahre	³²P*
³²P	Spallation (Ar)	14,3 Tage	³²S
^34mCl	Spallation (Ar)	34 Minuten	³⁴S
³⁵S	Spallation (Ar)	87,5 Tage	³⁵Cl
³⁶Cl	³⁵Cl (n,γ)³⁶Cl und Spallation (Ar)	301.000 Jahre	³⁶Ar
³⁷Ar	³⁷Cl (p,n)³⁷Ar	35 Tage	³⁷Cl
³⁸Cl	Spallation (Ar)	37 Minuten	³⁸Ar
³⁹Ar	⁴⁰Ar (n,2n)³⁹Ar	269 Jahre	³⁹K
³⁹Cl	⁴⁰Ar (n,np)³⁹Cl	56 Minuten	³⁹Ar*
⁴¹Ar	⁴⁰Ar (n,γ)⁴¹Ar	110 Minuten	⁴¹K
⁸¹Kr	⁸⁰Kr (n,γ) ⁸¹Kr	229.000 Jahre	⁸¹Br
⁹⁹Tc	Spallation (Xe)	211.100 Jahre	⁹⁹Ru
¹⁰⁷Pd	Spallation (Xe)	6.500.000 Jahre	¹⁰⁷Ag
¹²⁹I	Spallation (Xe)	15.700.000 Jahre	¹²⁹Xe

Mit * markierte Zerfallsprodukte sind selbst radioaktiv. Ihre Zerfallsmodalitäten werden in der Zeile unmittelbar darüber oder darunter angegeben.

Radioaktive Spurenelemente

Technetium und Promethium sind radioaktive Elemente, die nur in geringen Mengen vorhanden sind, da sie nicht durch Alpha- oder Betazerfall aus sehr langlebigen Radionukliden (wie Uran oder Thorium) entstehen, sondern nur durch extrem seltene Spontanspaltung oder Neutroneneinfang (z. B. in ⁹⁸Mo zur Erzeugung von ⁹⁹Tc). In früheren Phasen der Erdgeschichte wurden im Naturreaktor Oklo nennenswerte Mengen ⁹⁹Tc erzeugt, diese sind jedoch seither allesamt zerfallen. Am Verhältnis des Zerfallsproduktes ⁹⁹Ru zu anderen Ruthenium-Isotopen lassen sich Details über die Vorgänge vor beinahe zwei Milliarden Jahren in Oklo ergründen.

Neptunium und Plutonium galten bei ihrer Entdeckung als „künstliche“ Elemente, jedoch gibt es verschiedentlich Berichte über primordiales („noch von der Entstehung der Erde übrig gebliebenes“) ²⁴⁴Pu. Da dieses Isotop nicht in nennenswertem Ausmaß durch Neutroneneinfang in Uran entsteht, wäre der gesicherte Nachweis dieses Isotops ein Beweis dafür, dass Plutonium der Erde entweder von außen zugeführt wird (z. B. über Asteroiden)^[1] oder nach mehr als 50 Halbwertszeiten immer noch ein – wenn auch enorm kleiner – „Rest“ übrig ist.^[2] Neptunium entsteht in geringem Ausmaß durch (n,2n) Reaktionen gefolgt von Betazerfall in ²³⁸U sowie durch zwei aufeinander folgende Neutroneneinfänge (wieder gefolgt von Betazerfall des kurzlebigen ²³⁷U) in ²³⁵U. Beide Vorgänge finden zweifelsohne in Uranerzen statt, da die Spontanspaltung von Uran Neutronen freisetzt, jedoch ist die produzierte Menge Neptunium verschwindend gering. Auf ähnlichem Wege wird auch ²³⁹Pu aus Uran „erbrütet“.

Da Neutronenflussdichten wie vor beinahe zwei Milliarden Jahren in Oklo auf der Erde erst wieder im 20. Jahrhundert (durch menschliches Handeln) erreicht wurden, dürfte die Menge von Elementen mit Kernladungszahl größer 94, die auf natürliche Weise auf der Erde entstehen, enorm gering sein. Zur Entstehung von Americium-241 bedarf es zum Beispiel dreier aufeinander folgender Neutroneneinfänge in Uran-238, ohne dass die spaltbaren Nuklide ²³⁹Pu und ²⁴¹Pu gespalten werden, bevor ²⁴¹Pu mit einer Halbwertszeit von ~14 Jahren zum verhältnismäßig langlebigen (Halbwertszeit ~432 Jahre) Americium-241 zerfallen kann. Die durch unsachgemäße Entsorgung Americium-haltiger Rauchmelder in die Umwelt gelangten Mengen an Americium dürften alles überschreiten, was an Americium seit Ende der Kernspaltung in Oklo auf Erden vorhanden war.

Siehe auch

Literatur

Peter Paetzold: Chemie – Eine Einführung. Walter de Gruyter, Berlin 2009, ISBN 978-3-11-020268-7, S. 4 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).