Warum ist die Erde so anders als die anderen Planeten des Sonnensystems. Insbesondere: Woher stammen ihre riesigen Ozeane? Einige Wissenschaftler glauben, das Kometen mit ihren Einschlägen das Wasser zur jungen Erde gebracht haben. Kürzlich haben Forscher der Ohio State University experimentelle Hinweise auf eine ganz andere Wasserquelle gefunden, und diese weisen in die entgegengesetzte Richtung.
Die Frage nach dem Ursprung des irdischen Wassers wartet seit langem auf eine Antwort. Einen faszinierenden Antwortkandidaten stellten Geowissenschaftler am 17. Dezember auf der Konferenz der American Geophysical Union vor. Dort berichteten sie über bisher unbekannte geochemische Abläufe im Erdinnern. Für Milliarden von Jahren können sie dort Wasser binden. Und dieselben Prozesse der Plattentektonik, die die Kontinente driften lassen, würden dann auch die Ozeane mit Wasser speisen.
Selbst staubtrockenes Gestein liefert Wasser
Plattentektonik der Erde. Zirkulationen im Erdmantel liefern der Erdkruste aus der Tiefe über die mittelozeanischen Rücken neues Gestein; altes Oberflächengestein verschlucken sie. Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die Mantelzirkulationen den Ozeanen auch Wasser liefern. Grafik: Byrd Polar and Climate Research Center
Kern der Studie ist die Erkenntnis, dass scheinbar trockenes Gestein tatsächlich Wasser enthält. Denn Wasser besteht aus Wasserstoff und Sauerstoff. Wasserstoffatome stecken im Gestein in winzigsten Hohlräumen und Defekten der mineralischen Kristalle, während Sauerstoffatome als Bausteine der Mineralien weit verbreitet sind. Der im Mineral gebundene Wasserstoff kann durch chemische Reaktionen befreit und an den Sauerstoff gebunden werden, so dass Wasser entsteht.
Der Wasserstoff macht nur einen winzigen Bruchteil des Erdmantelgesteins aus. Doch er beinhaltet über 80 Prozent des Planetenvolumens. Prinzipiell könnte er daher reichlich Wasser liefern.
Der Erdmantel im Labor
Es ist zwar lange bekannt, dass der Erdmantel mehr oder weniger Wasser enthält, aber in welcher Form und wie viel ist unbekannt. Diesen Details spürten Wendy Panero, Professorin an der Ohio State University, und der Doktorand Jeff Pigott nach.
„Wenn wir die Ursprünge des irdischen Wassers ergründen, stellen wir eigentlich die Frage: Warum sind wir so anders als all die anderen Planeten?“, sagte Panero. „In diesem Sonnensystem ist die Erde einzigartig, weil wir flüssiges Wasser auf der Oberfläche haben. Wir sind auch der einzige Planet mit aktiver Plattentektonik [Verschiebung der Kontinente]. Vielleicht ist das Wasser im [Erd]Mantel der Schlüssel zur Plattentektonik, und das gehört zu dem, was die Erde bewohnbar macht“.
Prinzip der Diamantstempelzelle. Die beiden gegenüberliegenden Diamanten sind nur wenige Millimeter groß und werden gegeneinander gepresst. Die Höhe des Druckes in der Materialprobe wird aus dem bekannten Verhalten der Referenzprobe abgeleitet, z.B. eines Rubins. Grafik: NIMSoffice / Jo.Fruechtnicht (Wikimedia Commons), gemeinfrei
Da die Forscher die Gesteine nicht direkt im Erdmantel untersuchen konnten, stellten sie im Labor die dortigen Bedingungen mit extremen Drücken und hohen Temperaturen nach. So gewonnene Erkenntnisse nutzten sie für Berechnungen und Simulationen am Computer.
In einem Labor der Ohio State University setzten Panero und Pigott Mineralien des Erdmantels extremen Drücken aus, wie sie im Erdinnern vorherrschen. Gleichzeitig wurden die Proben durch Laserlicht aufgeheizt. Dazu verwendeten sie eine Diamantstempelzelle. Sie besteht aus zwei gegenüberliegenden geschliffenen Diamanten, zwischen deren Spitzen die Materialprobe klemmt. Der Druck wird durch hydraulisches Zusammenpressen in einem Übertragungsmedium wie Paraffinöl oder einem Edelgas erreicht. Das Verhalten der Probe wird durch die Diamanten hindurch mit Röntgenstrahlung oder Licht gemessen. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler beobachten, wie sich die Kristallstrukturen im Erdinnern verändert und wie viel Wasserstoff die Mineralien speichern können.
So könnte ein ganzer Ozean im Erdmantel zirkulieren
Noch immer herrscht in der Weltraumforschung die Vorstellung, das Asteroiden und Kometen viel Wassereis enthalten. Kometen werden sogar als schmutzige Schneebälle angesehen. In dieser Form hätten sie die junge Erde mit Wasser beliefern können. Diesem Bild widersprechen seit einigen Jahren zunehmend die Forschungsergebnisse, die mit Weltraumsonden gewonnen wurden. Dennoch hängen die meisten Forscher immer noch an den vermeintlich stark wassereishaltigen Himmelskörpern. Siehe dazu auch den knappen Blog-Beitrag Das Ende der schmutzigen Schneebälle? Mithilfe der experimentellen Daten berechneten die Forscher am Computer geochemische Prozesse, die die Mineralien im Erdmantel an die Erdoberfläche steigen lassen. Schließlich muss das Wasser im Gestein die Ozeane erreichen können.
Panero und Pigott konzentrierten ihre Untersuchungen auf das Mineral Ringwoodit, eine Hochdruckvariante des Olivins, die im Erdmantel in Tiefen ab etwa 500 km vorkommt, in der sogenannten Übergangszone. Denn eine andere Forschergruppe fand kürzlich heraus, dass Ringwoodit genügend Wasserstoff enthält und damit ein potenzieller Wasserspeicher des Erdmantels ist. Von der Übergangszone aus könnten dieselben Konvektionsströmungen, die den Erdmantel umwälzen und die Kontinente auseinanderdriften lassen, Wasser in die Ozeane befördern.
Einen weiteren möglichen Wasserspeicher machten Panero und Pigott mit ihren Computerberechnungen unterhalb der Übergangszone aus. Dort kann die Mineralgruppe der Granate einen Teil des Wassers aus der Übergangszone in den unteren Erdmantel transportieren.
Wenn dieses Szenario korrekt ist, würde nach den Berechnungen der Geowissenschaftler in den Tiefen der Erde etwa so viel Wasser zirkulieren wie im Pazifik.
Link
OSU Mineral Physics Research Group
http://www.geology.ohio-state.edu/~panero.1/