Geowissenschaftler entdecken eine übersehene Quelle für das Wasser der Erde.

Woher kam der globale Ozean der Erde? Ein Team von Geowissenschaftlern der Arizona State University unter der Leitung von Peter Buseck, Professor der Regents an der ASU’s School of Earth and Space Exploration (SESE) und der School of Molecular Sciences, hat eine Antwort in einer bisher vernachlässigten Quelle gefunden. Das Team hat auch herausgefunden, dass unser Planet deutlich mehr Wasserstoff enthält, ein Proxy für Wasser, als Wissenschaftler bisher dachten.

Also, wo ist es? Meistens unten im Kern unseres Planeten, aber mehr dazu in einer Minute. Die größere Frage ist, woher das alles überhaupt kommt.

„Kometen enthalten eine Menge Eis und hätten theoretisch etwas Wasser liefern können“, sagt Steven Desch, Professor für Astrophysik an der SESE und einer der Teamwissenschaftler. Asteroiden, fügt er hinzu, sind ebenfalls eine Quelle, nicht so wasserreich und doch reichlich vorhanden.

„Aber es gibt noch eine andere Möglichkeit, über die Wasserquellen in den prägenden Tagen des Sonnensystems nachzudenken“, erklärt Desch. „Da Wasser Wasserstoff plus Sauerstoff ist und Sauerstoff im Überfluss vorhanden ist, hätte jede Wasserstoffquelle als Ursprung für das Wasser der Erde dienen können.“

Am Anfang

Wasserstoffgas war der Hauptbestandteil des Sonnennebels – Gase und Staub, aus denen sich die Sonne und die Planeten bildeten. Wenn sich der reichlich vorhandene Wasserstoff im Nebel mit dem felsigen Material der Erde verbinden könnte, wie es sich gebildet hat, könnte das der endgültige Ursprung des globalen Ozeans der Erde sein.

Jun Wu, der Hauptautor des Papiers, das das Team im Journal of Geophysical Research veröffentlicht hat, ist Assistant Research Professor sowohl an der SESE als auch an der School of Molecular Sciences. Er sagt: „Der Sonnennebel hat unter den bestehenden Theorien die geringste Aufmerksamkeit erhalten, obwohl er in unserem frühen Sonnensystem der vorherrschende Wasserstoffspeicher war“.

Aber zuerst, einige geochemische Detektivarbeiten.

Um zwischen den Wasserquellen zu unterscheiden, wenden sich die Wissenschaftler der Isotopenchemie zu und messen das Verhältnis zwischen zwei Arten von Wasserstoff. Fast alle Wasserstoffatome haben einen Kern, der ein einziges Proton ist. Aber in etwa einem von 7.000 Wasserstoffatomen hat der Kern neben dem Proton auch ein Neutron. Dieses Isotop wird als „schwerer Wasserstoff“ oder Deuterium bezeichnet, symbolisiert durch D.

Das Verhältnis der Anzahl der D-Atome zu den gewöhnlichen H-Atomen wird als D/H-Verhältnis bezeichnet und dient als Fingerabdruck dafür, woher dieser Wasserstoff stammt. So hat beispielsweise asteroides Wasser einen D/H von etwa 140 ppm (parts per million), während Kometenwasser höher läuft und von 150 ppm bis zu 300 ppm reicht.

Wissenschaftler wissen, dass die Erde einen globalen Ozean aus Wasser auf ihrer Oberfläche und etwa zwei weitere Ozeane aus Wasser hat, die in ihren Mantelgesteinen gelöst sind. Dieses Wasser hat ein D/H-Verhältnis von etwa 150 ppm, was eine asteroide Quelle zu einer guten Wahl macht.

Kometen? Mit ihren höheren D/H-Verhältnissen sind Kometen meist keine guten Quellen. Und was noch schlimmer ist, der D/H-Wert von Wasserstoffgas im Sonnennebel betrug nur 21 ppm, viel zu niedrig, um große Mengen an Wasser der Erde zu liefern. Tatsächlich ist das asteroidale Material so gut aufeinander abgestimmt, dass frühere Forscher die anderen Quellen diskontiert haben.

Aber, sagen Wu und Kollegen, andere Faktoren und Prozesse haben das D/H des Wasserstoffs der Erde verändert, beginnend mit dem Beginn der Entstehung des Planeten. Wu sagt: „Das bedeutet, dass wir das gelöste solare Nebelgas nicht ignorieren sollten.“

Wasserstoffkonzentration

Der Schlüssel liegt in einem Prozess, der Physik und Geochemie kombiniert, wobei das Team herausfand, dass es reagiert hat, um Wasserstoff im Kern zu konzentrieren und gleichzeitig die relative Menge an Deuterium im Erdmantel zu erhöhen.

Der Prozess begann ziemlich früh, als sich die Planeten der Sonne zu bilden begannen und durch die Fusion primitiver Bausteine, der sogenannten planetarischen Embryonen, wuchsen. Diese Objekte in Mond-zu-Mars-Qualität wuchsen im frühen Sonnensystem sehr schnell und kollidierten und akkretierten Material aus dem Sonnennebel.

Innerhalb der Embryonen schmolzen zerfallende radioaktive Elemente Eisen, das asteroiden Wasserstoff ergriff und zu einem Kern sank. Der größte Embryo erlebte eine Kollisionsenergie, die seine gesamte Oberfläche schmolz und das, was Wissenschaftler als Magma-Ozean bezeichnen. Flüssiges Eisen im Magma schnappte sich Wasserstoff aus der sich entwickelnden primitiven Atmosphäre, die aus dem Sonnennebel stammt. Das Eisen trug diesen Wasserstoff zusammen mit Wasserstoff aus anderen Quellen in den Mantel des Embryos. Schließlich konzentrierte sich der Wasserstoff im Kern des Embryos.

Inzwischen lief ein weiterer wichtiger Prozess zwischen flüssigem Eisen und Wasserstoff. Deuteriumatome (D) mögen Eisen nicht so sehr wie ihre H-Pendants, was zu einer leichten Anreicherung von H in der Eisenschmelze führt und relativ mehr D im Magma zurücklässt. Auf diese Weise entwickelte der Kern allmählich ein niedrigeres D/H-Verhältnis als der Silikatmantel, der sich nach dem Abkühlen des Magma-Ozeans bildete.

All das war die erste Stufe.

Die zweite Stufe folgte, als Embryonen kollidierten und sich zur Proto-Erde zusammenschlossen. Wieder einmal entwickelte sich an der Oberfläche ein Magma-Ozean, und wieder einmal können Eisen- und Wasserstoffreste ähnliche Prozesse durchlaufen haben wie in der ersten Stufe, wodurch die Lieferung der beiden Elemente an den Kern der Proto-Erde abgeschlossen ist.

Wu fügt hinzu: „Neben dem Wasserstoff, den die Embryonen eingefangen haben, erwarten wir, dass sie auch Kohlenstoff, Stickstoff und Edelgase aus dem frühen Sonnennebel gefangen haben. Diese hätten einige Isotopenspuren in der Chemie der tiefsten Gesteine hinterlassen sollen, nach denen wir suchen können.“

Das Team modellierte den Prozess und überprüfte seine Vorhersagen mit Proben von Mantelgesteinen, die heute an der Erdoberfläche selten sind.

„Wir haben berechnet, wie viel Wasserstoff, der in den Mänteln dieser Körper gelöst ist, in ihren Kernen gelandet sein könnte“, sagt Desch. „Dann haben wir das mit jüngsten Messungen des D/H-Verhältnisses in Proben aus dem tiefen Erdmantel verglichen.“ Dadurch konnte das Team Grenzen setzen, wie viel Wasserstoff im Erdkern und -mantel enthalten ist.

„Das Endergebnis“, sagt Desch, „ist, dass sich die Erde wahrscheinlich aus sieben oder acht globalen Ozeanen gebildet hat, die Wasserstoff enthalten. Der Großteil davon kam tatsächlich aus asteroiden Quellen. Aber ein paar Zehntel des Wasserstoffs eines Ozeans kamen aus dem solaren Nebelgas.“

Wu sagt: „Unser Planet versteckt den größten Teil seines Wasserstoffs im Inneren, mit etwa zwei globalen Ozeanen im Mantel, vier bis fünf im Kern und natürlich einem globalen Ozean an der Oberfläche.“

Nicht nur für unser Sonnensystem.

Das neue Ergebnis, so das Team, fügt sich nahtlos in die aktuellen Theorien über die Entstehung der Sonne und der Planeten ein. Es hat auch Auswirkungen auf bewohnbare Planeten außerhalb des Sonnensystems. Astronomen haben mehr als 3.800 Planeten entdeckt, die andere Sterne umkreisen, und viele scheinen felsige Körper zu sein, die sich nicht wesentlich von unseren eigenen unterscheiden.

Viele dieser Exoplaneten könnten sich weit weg von den Zonen gebildet haben, in denen wasserreiche Asteroiden und andere Bausteine entstanden sein könnten. Dennoch hätten sie Wasserstoffgas aus den Sonnennebeln ihrer eigenen Sterne so sammeln können wie die Erde.

Das Team kommt zu dem Schluss: „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Bildung von Wasser auf ausreichend großen felsigen Planeten in extrasolaren Systemen wahrscheinlich unvermeidlich ist.“

Mehr Informationen:
Jun Wu et al, Origin of Earth’s Water: Chondritische Vererbung plus Nebeleingasung und Speicherung von Wasserstoff im Kern, Journal of Geophysical Research: Planeten (2018). DOI: 10.1029/2018JE005698

Teilen Ist Liebe! ❤❤❤ 22 shares ❤❤❤

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

shares