Wir haben Kometen und Asteroiden für das Wasser der Erde zu danken, wie die unter Wissenschaftlern am weitesten verbreitete Theorie zeigt. Aber es ist nicht so trocken. Es ist immer noch ein Rätsel, und eine neue Studie legt nahe, dass nicht das gesamte Wasser der Erde auf diese Weise auf unseren Planeten geliefert wurde.
Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum und steht im Mittelpunkt der Frage nach dem Wasser der Erde. Diese neue Studie wurde von Peter Buseck, Professor der Regenten an der School of Earth and Space Exploration und der School of Molecular Sciences an der Arizona State University, gemeinsam geleitet. Darin schlagen die Autoren vor, dass der Wasserstoff zumindest teilweise aus dem Sonnennebel stammte, einer Wolke aus Gas und Staub, die nach der Bildung der Sonne übrig geblieben war.
Bevor wir uns mit den Details dieser neuen Studie befassen, ist es hilfreich, die lang gehegte Theorie zu betrachten, die sie ersetzen könnte.
Lange Zeit glaubten die meisten Wissenschaftler, dass das Wasser aus Kometen und Asteroiden den Ursprung des Wassers hier auf der Erde hat. Alles beginnt mit der Bildung der Sonne.
Als sich die Sonne aus einer Molekülwolke bildete, fegte sie den größten Teil des Materials in der Wolke auf und ließ ein wenig übrig für alles andere: Planeten, Asteroiden und Kometen. Sobald die Sonne durch Fusion zum Leben erweckt wurde, sandte ein starker Sonnenwind viel Wasserstoff aus seinen äußeren Schichten nach draußen, wo sich heute die inneren felsigen Planeten - Merkur, Venus, Erde und Mars - befinden.
Dies ist das Reich der Gasriesen und vor allem der Kometen und Asteroiden. Kometen sind eisige, felsige Körper, von denen angenommen wird, dass sie erhebliche Mengen des von der frühen Sonne ausgeblasenen Wasserstoffs enthalten, und auch Asteroiden, wenn auch in geringerem Maße. Sie wurden zu einem bedeutenden Reservoir für Wasserstoff.
Als sich die Erde bildete, war es eine geschmolzene Kugel, deren Oberfläche durch wiederholte Kollision mit Asteroiden in diesem Zustand gehalten wurde. So weit, so gut, da das frühe Sonnensystem ein viel chaotischerer Ort war als heute. Als Asteroiden und Kometen auf diese heiße Erde trafen, wurden das Wasser und der Wasserstoff darin in den Weltraum gekocht. Während sich die Erde im Laufe der Zeit abkühlte, durfte Wasser von Kometen- und Asteroiden-Kollisionen auf der Erde kondensieren und nicht in den Weltraum abgekocht werden. Das Wasser klebte herum.
Der Beweis dafür liegt in Isotopenverhältnissen. Das Verhältnis des schweren Wasserstoffisotops Deuterium zu normalem Wasserstoff ist eine chemische Signatur. Zwei Gewässer mit dem gleichen Verhältnis müssen den gleichen Ursprung haben, so das Denken. Und die Ozeane der Erde haben das gleiche Verhältnis wie Wasser auf Asteroiden.
Dies ist eine sehr vereinfachte Version der weit verbreiteten Theorie, wie Wasser auf die Erde gelangt ist.
Aber Wissenschaftler sind unzufrieden und versuchen immer, die Dinge besser und gründlicher zu verstehen. Sie stellten die Theorie „Wasser von Kometen“ in Frage, bevor diese neueste Studie herauskam.
Bereits 2014 untersuchten einige Wissenschaftler das Problem anhand von Meteoriten unterschiedlichen Alters. (Meteoriten sind nur Asteroiden, die die Erde getroffen haben.) Zuerst untersuchten sie sogenannte „kohlenstoffhaltige Chondrit-Meteoriten“. Sie sind die ältesten, die wir kennen, und sie haben sich ungefähr zur gleichen Zeit wie die Sonne gebildet. Sie sind die Hauptbausteine der Erde.
Als nächstes untersuchten sie Meteoriten, von denen wir glauben, dass sie vom großen Asteroiden Vesta stammen. Vesta bildete sich in derselben Region wie die Erde, ungefähr 14 Millionen Jahre nach der Geburt des Sonnensystems. Laut dieser Studie aus dem Jahr 2014 ähnelten die alten Meteoriten der Zusammensetzung des Sonnensystems und enthielten viel Wasser. Daher wurden sie allgemein als Wasserquelle der Erde angesehen.
Die Messungen in dieser Studie von 2014 zeigten, dass diese Meteoriten dieselbe Chemie aufweisen wie die kohlenstoffhaltigen Chondriten und Gesteine auf der Erde. Sie kamen zu dem Schluss, dass kohlenstoffhaltige Chondrite die wahrscheinlichste gemeinsame Wasserquelle sind. Zu dieser Zeit sagte Horst Marschall, einer der Autoren der Studie: „Die Studie zeigt, dass sich das Wasser der Erde höchstwahrscheinlich gleichzeitig mit dem Gestein angesammelt hat. Der Planet hat sich als nasser Planet mit Wasser an der Oberfläche gebildet. “ Das Team hinter dieser Studie gab zu, dass ein Teil unseres Wassers durch Stöße entstanden ist.
Das bringt uns zu dieser neuen Studie, die die Schlussfolgerungen aus der Studie von 2014 bestätigt.
Die Autoren dieser neuen Studie sagen, dass die Ozeane und ihre Isotopenverhältnisse möglicherweise nicht die ganze Geschichte erzählen. "Es ist ein blinder Fleck in der Gemeinde", sagte Steven Desch, Professor für Astrophysik an der School of Earth and Space Exploration der Arizona State University in Tempe, Arizona. "Wenn Menschen das Verhältnis von [Deuterium zu Wasserstoff] im Meerwasser messen und feststellen, dass es dem, was wir bei Asteroiden sehen, ziemlich nahe kommt, war es immer leicht zu glauben, dass alles von Asteroiden stammt." Es ist schwer, ihnen die Schuld zu geben. Es ist ein ziemlich überzeugender Beweis.
"Es ist ein blinder Fleck in der Gemeinde." - Steven Desch, Schule für Erd- und Weltraumforschung, ASU.
Desch und die anderen Autoren dieser neuen Studie verweisen auf 2015 veröffentlichte Forschungsergebnisse, die zeigen, dass die Ozeane der Erde möglicherweise nicht repräsentativ für das Urwasser der Erde sind. Die Ozeane haben sich möglicherweise zwischen der Oberfläche und einem tieferen Wasserreservoir tief in der Erde bewegt. Dies könnte das Verhältnis im Laufe der Zeit verändert haben und bedeuten, dass dieses tiefere Wasser zumindest einen Teil des wahren Urwassers der Erde darstellt. Und dieses Wasser könnte direkt aus dem Sonnennebel gekommen sein und nicht durch Kometen- und Asteroideneinschläge.
Die Studie entwickelt ein neues theoretisches Modell der Erdbildung, um diese Unterschiede zwischen Wasserstoff in den Ozeanen der Erde und an der Kern-Mantel-Grenze zu erklären.
Dieses neue Modell zeigt große wassergefüllte Asteroiden, die vor Milliarden von Jahren im Sonnennebel, der um die Sonne wirbelt, zu Planeten geformt wurden. Diese planetarischen Embryonen erlitten eine sequentielle Kollision und wuchsen schnell. Schließlich, so heißt es, schmolz eine ausreichend starke Kollision die Oberfläche des größten Embryos zu einem Ozean aus Magma. Dieser größte Embryo wurde zur Erde.
Dieser große Embryo hatte genug Schwerkraft, um sich an eine Atmosphäre zu halten, und zog Gase, einschließlich Wasserstoff, den am häufigsten vorkommenden, aus dem Solarnebel an, um einen zu bilden. Der Wasserstoff im Solarnebel enthielt weniger Deuterium und ist leichter als asteroidaler Wasserstoff. Es löste sich in der Eisenschmelze des Magma-Ozeans auf der Erde auf.
Der Wasserstoff wurde durch einen als Isotopenfraktionierung bezeichneten Prozess zum Erdmittelpunkt gezogen. Wasserstoff wird von Eisen angezogen und vom Eisen in den Erdkern geliefert. Deuterium, das schwere Wasserstoffisotop, blieb im Magma, das sich abkühlte, um den Erdmantel zu bilden. Anhaltende Einschläge brachten mehr Wasser und Masse auf die Erde, bis sie die Masse erreichten, die sie heute ist.
Der entscheidende Punkt in diesem neuen Modell ist, dass sich Wasserstoff im Erdkern von Wasserstoff im Erdmantel und in den Ozeanen unterscheidet. Kernwasser hat viel weniger Deuterium. Aber was bedeutet das alles?
Das neue Modell ermöglichte es den Autoren, die Wassermengen abzuschätzen, die durch Asteroideneinschläge während des Wachstums und der Entwicklung der Erde entstanden waren, verglichen mit der Menge, die aus dem Sonnennebel stammte, als sich die Erde bildete. Ihre Schlussfolgerung? "Auf 100 Moleküle des Erdwassers kommen ein oder zwei aus dem Solarnebel", sagte Jun Wu, Assistenzprofessor an der School of Molecular Sciences und der School of Earth and Space Exploration an der Arizona State University und Co-Hauptautor von die Studium.
Diese Studie bietet eine neue Perspektive auf die Entstehung und Entwicklung von Planeten und darauf, wie das frühe Leben auf einem jungen Planeten gedeihen kann.
„Dieses Modell legt nahe, dass die unvermeidliche Bildung von Wasser wahrscheinlich auf ausreichend großen felsigen Exoplaneten in extrasolaren Systemen auftreten würde. Ich finde das sehr aufregend. “ - Jun Wu, School of Molecular Sciences und School of Earth and Space Exploration an der ASU, Co-Hauptautor.
Früher dachten wir, dass die einzigen Planeten, auf denen Leben leben könnte, in einem Sonnensystem sein müssten, das reich an wasserführenden Asteroiden und Kometen ist. Dies ist jedoch möglicherweise nicht der Fall. In anderen Sonnensystemen haben nicht alle erdähnlichen Planeten Zugang zu mit Wasser beladenen Asteroiden. Die neue Studie legt nahe, dass bewohnbare Exoplaneten möglicherweise Wasser aus dem Solarnebel in ihrem System erhalten haben. Die Erde verbirgt den größten Teil ihres Wassers in ihrem Inneren. Die Erde hat ungefähr zwei Ozeane in ihrem Mantel und 4 oder 5 in ihrem Kern. Exoplaneten können ähnlich sein.
"Dieses Modell legt nahe, dass die unvermeidliche Bildung von Wasser wahrscheinlich auf ausreichend großen felsigen Exoplaneten in extrasolaren Systemen auftreten würde", sagte Wu. "Ich finde das sehr aufregend."
In diesem neuen Modell gibt es jedoch einen Warnhinweis, nämlich die Wasserstofffraktionierung. Es ist nicht genau bekannt, wie sich das Deuterium-Wasserstoff-Verhältnis ändert, wenn sich das Element in Eisen löst, das im Zentrum dieses neuen Modells steht. Es musste in dieser neuen Studie geschätzt werden.
Insgesamt passt die neue Studie gut zu anderen Forschungen zum Wasser der Erde. Sobald weitere Arbeiten zur Wasserstofffraktionierung durchgeführt wurden, kann das neue Modell strenger getestet werden.
- Pressemitteilung der AGU: „Wissenschaftler theoretisieren neue Ursprungsgeschichte für das Wasser der Erde“
- Forschungsbericht: „Ursprung des Erdwassers: Chondritische Vererbung plus nebliges Einlassen und Speichern von Wasserstoff im Kern“
- Forschungsbericht: „Beweise für Urwasser im tiefen Erdmantel“
- Forschungsbericht: „Frühe Anreicherung von Wasser im inneren Sonnensystem aus einer kohlenstoffhaltigen chondritähnlichen Quelle“
- Wikipedia: Entstehung und Entwicklung des Sonnensystems
- Wikipedia: 4 Vesta
