Vom Leben der Natur Show Der Astronom Rudolf Dvorak spricht über die mögliche Herkunft der wichtigsten Grundlage des Lebens. Teil 2: Wasser im Inneren der Erde Gestaltung: Lothar Bodingbauer
11. Dezember 2018, 08:55 Wasserstoff, Helium und Sauerstoff sind die häufigsten Elemente in interstellarer Materie. Es gibt auch schwerere Elemente und Staub, an das sich Wasser binden kann. Um zu erforschen, ob Wasser schon seit der Entstehung der Erde auf der Erde war, oder erst später durch Asteroiden- oder Kometeneinschläge auf die Erde gebracht wurde, wird das Verhältnis von Deuterium zu normalem Wasserstoff untersucht. Deuterium ist Wasserstoff mit einem zusätzlichen Neutron - dadurch kann statt "normalem" Wasser "schweres Wasser" entstehen. Im Weltraum und auf Kometen ist das Verhältnis von Deuterium zu Wasserstoff drei- bis zehnmal so hoch als in den Ozeanen. Das deutet darauf hin, dass Wasser zumindest nicht von Kometen gebracht wurde - die außerhalb des Sonnensystems ihren Ursprung finden und gleichzeitig mit dem ursprünglichen Sonnennebel entstanden sind. Wasser könnte aber von Asteroiden stammen, die sich im Inneren des Planetensystems befinden, und mit den Planeten entstanden sind. Dort gibt es dasselbe Verhältnis von Deuterium zu Wasserstoff. Die Suche nach Wasser im Universum ist immer auch mit der Suche nach Leben verbunden, denn wo Wasser ist, kann Leben entstehen.
Wie das Wasser auf die Erde gelangte, ist noch nicht klar. Es gibt zwei Hypothesen: Der ersten zufolge enthielt der Planet von Anfang an Wasser. Es kann aber auch von Meteoroiden oder Kometen stammen, die auf die Erde stürzten. Als am wahrscheinlichsten gilt die Herkunft von Asteroiden, die jenseits des Mars kreisten. Ohne Wasser ist die Erde nicht vorstellbar. Mehr als zwei Drittel der Erdoberfläche sind von Ozeanen bedeckt. Süßwasser lagert in Form von Eisschilden und Gletschern auf den Kontinenten, durchströmt Flüsse und Seen und ist in Gesteinsporen und Höhlen auch unterirdisch zu finden. Auch manches Gestein enthält Spuren von Wasser. Und bei Vulkanausbrüchen wird oft Wasserdampf freigesetzt, der im Magma gebunden war. Wissenschaftler haben starke Indizien dafür, dass es schon sehr lange Wasser auf der Erde gibt, wahrscheinlich seit ihrer eigenen Entstehungszeit.
 Ein Hinweis darauf, dass Wasser auf dem Planeten bereits in seiner Frühzeit zu finden war, ist eine bestimmte Art vulkanischen Gesteins. Hat Lavagestein die Form eines Kissens, so wissen Geologen, dass es durch den Kontakt von flüssiger Lava mit Wasser entstanden sein muss. Die älteste bekannte „Kissenlava“ befindet sich auf Grönland und ist 3,8 Milliarden Jahre alt. Unabhängige geochemische Gesteinsanalysen deuten darauf hin, dass Wasser womöglich schon vor mehr als vier Milliarden Jahren auf der Erde vorhanden war. Wie die wichtige chemische Verbindung aus Sauerstoff und Wasserstoff ursprünglich auf die Erde gelangt ist, ist noch ungewiss. Es kursieren derzeit zwei plausible Hypothesen. Da man in Gesteinsproben vom Mond ebenfalls Spuren von Wasser fand, nehmen Geologen generell an, dass das Wasser bereits vor der Bildung des Mondes zum Vorläufer der Erde gelangte. Vor rund 4,5 Milliarden Jahren kollidierte ein etwa marsgroßer Himmelskörper mit der jungen Erde, wodurch sich eine Scheibe aus Gas und Staub um den Planeten bildete. Daraus entwickelte sich schließlich der Erdtrabant. Blick in die Geschichte des SonnensystemsIn der Frühzeit des Sonnensystems drehte sich eine heiße scheibenförmige Wolke aus Gasen und Staubpartikeln um die Sonne. Diese Wolke ballte sich allmählich an mehreren Stellen zusammen, und durch Kollisionen der ersten Himmelskörper bildeten sich nach und nach die Planeten, wie wir sie heute kennen. Möglicherweise war das Wasser schon von Beginn an in dem Material enthalten, aus dem die Erde damals zusammenklumpte. Das ist die erste Hypothese für den Ursprung des Wassers. Allerdings kennen Astrophysiker die Details jener Frühzeit noch nicht genau. Sie rätseln etwa, in welchen Teilen des Sonnensystems Wasser vorhanden war und in welchen nicht. Vermutlich war die Region rings um die Sonne staubtrocken, weil Wasser hier durch die intensive Sonneneinstrahlung direkt verdampfte und anschließend durch den Teilchenwind, der von unserem Zentralgestirn ausgeht, ins All geweht wurde.
In der äußeren Region des Sonnensystems flogen hingegen Brocken herum, die Wassereis enthielten. Die Grenze zwischen den beiden Regionen wird manchmal salopp „Schneegrenze“ genannt. Die meisten Wissenschaftler vermuten, dass sie sich damals jenseits der Marsumlaufbahn befand. Die Erde befand sich in ihrer Frühzeit also vermutlich im wasserfreien Bereich des Sonnensystems, sodass das Wasser nicht schon bei der Bildung unseres Planeten vorhanden gewesen sein kann. Die Schneegrenze ist einer der Gründe, warum Wissenschaftler meist eine andere Hypothese vorziehen, um die Herkunft des Wassers zu erklären: Demnach stammt das Wasser von Kometen oder Asteroiden, die aus den äußeren Bereichen des Sonnensystems gen Zentrum gelenkt wurden und dann auf die Erde stürzten. Bezogen auf seine Gesamtmasse enthält der Planet heute nur wenig Wasser – ungefähr zwei Prozent. Kometen und Meteoroiden können hingegen zu einem beträchtlichen Anteil aus Wasser bestehen. Es wären also keine gigantischen Einschläge notwendig gewesen, um das heute beobachtete Wasser auf die Erde zu liefern. Nur: Wo genau kamen diese Kometen oder Meteoroiden her, die das Wasser auf die Erde gebracht haben sollen? Darüber haben Wissenschaftler in den letzten Jahren viel spekuliert. Ein wichtiger Anhaltspunkt bei solchen Spekulationen ist die chemische Analyse des Wassers: Auf der Erde weist das Wasser ein charakteristisches Massenverhältnis zweier Wasserstoffisotope auf, die Protium und Deuterium heißen. Protium besitzt nur ein Proton im Kern und ist das bei Weitem häufigste Wasserstoffisotop. Im Kern des viel selteneren Deuteriums befindet sich zusätzlich zu dem Proton auch ein Neutron. Fände man eine Region im Sonnensystem, in der Asteroiden oder Kometen mit einem ähnlichen Isotopenverhältnis vorkommen, könnte dort der Ursprung des terrestrischen Wassers zu finden sein. Jenseits des MarsorbitsIn diesem Zusammenhang ist der Asteroid Vesta, der Wasser enthält, ein hochinteressantes Untersuchungsobjekt. Vesta gilt nämlich als der einzige noch erhaltene Planetenvorläufer aus der Frühzeit des Sonnensystems, den Wissenschaftler derzeit kennen. Vesta kreist auf einer Umlaufbahn zwischen Jupiter und Mars um die Sonne. In der Vergangenheit ist der Asteroid oft mit anderen Himmelskörpern zusammengestoßen. Danach sind mehrfach kleine Stücke auf der Erde eingeschlagen.
Bei einer chemischen Analyse solcher Meteoriten zeigte sich, dass sie das gleiche Wasserstoffisotopenverhältnis wie das Wasser auf der Erde haben. Dass der chemische Fingerabdruck identisch ist, deutet darauf hin, dass das Wasser von Vesta und Erde denselben Ursprung besitzt. Es könnte zum Beispiel von wasserhaltigen Asteroiden außerhalb der Marsumlaufbahn stammen, die besonders früh entstanden. Möglicherweise enthielt die Erde schon vor Entstehung des Erdmonds Wasser, was eine spätere „Nachlieferung“ durch Meteoroiden an Erde und Mond allerdings nicht ausschließt. Doch auch die Kometenhypothese ist noch nicht ganz aus dem Rennen – einfach deshalb, weil sie sich bisher nicht eindeutig widerlegen ließ. Zwar stimmt das Wasserstoffisotopenverhältnis von Kometen meist nicht mit dem terrestrischen Wasser überein, aber für einen Ausschluss der Hypothese genügen die Befunde noch nicht. Woher das terrestrische Wasser nun tatsächlich stammt – das kann vielleicht die akribische Analyse von Asteroiden und Kometen künftig aufklären. Neuerdings lassen sich diese Himmelskörper sogar mit Raumsonden wie Hayabusa und Rosetta ganz direkt erkunden. Aber auch die Untersuchung von Planeten außerhalb unseres Sonnensystems verspricht Hinweise auf die Lösung eines der spannendsten Rätsel der Erde zu liefern. Die Herkunft des irdischen Wassers ist bis heute nicht vollständig geklärt:
Dabei deuten Messungen des Wasserstoffisotopen-Verhältnisses von Deuterium und Protium (H-1) (D/H-Verhältnis) eher auf Asteroiden hin, da in Wassereinschlüssen in kohligen Chondriten ähnliche Isotopen-Verhältnisse gefunden wurden wie in Ozean-Wasser. Dagegen stimmt das D/H-Verhältnis von Kometen und transneptunischen Objekten nach bisherigen Messungen nur schlecht mit dem von irdischem Wasser überein. Für die derzeitigen Wasservorkommen im Sonnensystem und speziell auf der Erde siehe Wasservorkommen im Universum#Sonnensystem. Eines der Hauptprobleme beim Versuch, die Herkunft des irdischen Wassers zu klären, bildet die Frage nach dem Wassergehalt der Planetesimale, welche die Erde bildeten. Hier gibt es zwei Modelle:
Je nachdem, welches Modell man annimmt,
Heutige Vulkane emittieren zwar Wasserdampf, jedoch stammt dieser überwiegend nicht aus dem Erdinnern, sondern von der Erdoberfläche. So konnte man z. B. an Vulkanen in Hawaii zeigen, dass der Wasserdampf größtenteils aus dem Grundwasserreservoir stammt.[3] Eine weitere wichtige Frage ist, ob vulkanische Transportmechanismen effektiv genug sind, um eventuell vorhandenes Wasser im Erdinnern an die Oberfläche zu transportieren. Ein Vertreter einer Herkunft des Wassers aus dem Erdinneren über Ausgasen war Michael Julian Drake (1946–2011).[4] Er begründet die irdische Herkunft des Wassers mit Isotopenuntersuchungen von Meteoriten und Material aus dem oberen Mantel der Erde. Demnach kann kein später großer Einschlag eines Körpers aus Material, wie es durch heutige Meteoriten repräsentiert wird, wesentlich zur Zusammensetzung des oberen Mantels der Erde beigetragen haben. Andererseits räumt Drake ein, dass ein großer „nasser“ Planetenembryo aus dem Asteroidengürtel oder auch ein Komet mit entsprechender Element- und Isotopenzusammensetzung letztlich nicht auszuschließen seien. Das Problem der nassen Akkretion, welche bei den Temperaturen in der Erdumlaufbahn nicht einfach zu erklären ist, versucht Drake damit zu erklären, dass die Staubkörner in der Akkretionsscheibe, welche sich zu den Planetesimalen zusammenballten, fraktaler Natur waren. Wegen der daraus resultierenden, großen Oberfläche konnte demnach genügend Wasser adsorbiert werden. Gemäß der nassen Akkretion war genügend Wasser in den Planetesimalen vorhanden. Dieses Wasser und andere leicht flüchtige Stoffe wie Kohlenstoffdioxid (CO2), Methan (CH4) und Stickstoff (N2) gasten aus der größtenteils aus flüssigem Magma bestehenden Ur-Erde aus und bildeten eine frühe, wasserdampfreiche Uratmosphäre. Diese wurde nach heutigen Modellvorstellungen durch einen Sonnenwind, der zur Zeit der Erdentstehung sehr viel heftiger war als heute, mitgerissen und entwich somit von der Erde. Durch Vulkanismus kam es später zur Bildung einer neuen Atmosphäre, die auch aus dem Erdinnern ausgegasten Wasserdampf enthalten haben dürfte. Mit der Bildung einer festen Erdkruste und der weiteren Abkühlung kam es demnach zur Kondensation von Wasserdampf und zur Bildung erster Ozeane.
Die in diesem Modell angenommene trockene Akkretion wird dadurch begründet, dass die Planetesimale in einem Bereich des früheren Sonnensystems entstanden, in dem relativ wenig Wasser vorhanden war. Je kleiner der Abstand zur Sonne war, desto höher die Temperaturen, und desto weniger Wasser war vorhanden. Erst außerhalb der solaren Schneegrenze, welche etwa inmitten des heutigen Asteroidengürtels lag, war Wasser in größerer Menge vorhanden. So zeigen kohlige Chondrite, von denen angenommen wird, dass sie in den äußeren Bereichen des Asteroidengürtels entstanden sind, einen Wassergehalt von manchmal mehr als 10 % ihrer Masse, während gewöhnliche Chondrite oder gar Enstatit-Chondrite vom inneren Rand des Asteroidengürtels weniger als 0,1 % ihrer Masse an Wasser enthalten. Die Planetesimale sollten dementsprechend noch weniger Wasser enthalten haben. Zudem wird angenommen, dass bei der Akkretion der Planetesimale zu den Planeten und dem Verlust der Uratmosphäre nochmals große Mengen des ursprünglich vorhandenen Wassers verloren gingen. Deswegen wird heute von vielen Planetologen angenommen, dass der überwiegende Teil des heutigen irdischen Wassers aus den äußeren Bereichen des Sonnensystems stammt. Ein rein kometarer Ursprung des Wassers wurde nach Messung des Isotopenverhältnisses von Wasserstoff in den drei Kometen Halley, Hyakutake und Hale-Bopp durch Forscher wie David Jewitt für unwahrscheinlich gehalten, da dort das Verhältnis von Deuterium zu Protium (D/H-Verhältnis) etwa doppelt so hoch ist wie in ozeanischem Wasser.[5] Im Dezember 2014 analysierte die Raumsonde Rosetta den Wasserdampf in der Nähe des Kometen Tschurjumow-Gerassimenko; auch diese Messungen ergaben, dass das irdische Wasser höchstwahrscheinlich nicht von Kometen stammt.[6] Alternativ wurde der Asteroidengürtel als Quelle des Wassers vorgeschlagen, denn Wassereinschlüsse in kohligen Chondriten zeigen ein ähnliches D/H-Verhältnis wie ozeanisches Wasser. Nach A. Morbidelli et al.[7] kommt der größte Teil des heutigen Wassers von einigen im äußeren Asteroidengürtel geformten Protoplaneten, die auf die Erde stürzten. Inzwischen wurde eine Klasse von Kometen ausgemacht, die aus dieser Region stammen könnten.[8] Zwei dieser Kometen konnten bisher auf ihr D/H-Verhältnis hin untersucht werden: sowohl C/1999 S4 LINEAR[9] als auch Hartley 2[10] tragen ‘irdisches’ Wasser. Nach einer 2019 publizierten Studie[11] kann anhand des Isotopenverhältnisses des Molybdäns der Erde belegt werden, dass der Körper (Theia), der beim Aufprall auf die Erde vor 4 Milliarden Jahren den Mond entstehen ließ, aus dem äußeren Sonnensystem stammte und somit einen Großteil des Wassers auf die Erde gebracht haben könnte. In den Urozeanen vorkommender Schwefelwasserstoff und in der Uratmosphäre vorhandenes Kohlendioxid wurde von autotrophen Schwefelbakterien (Prokaryoten) unter Zufuhr von Lichtenergie zum Aufbau organischer Verbindungen genutzt, wobei Methan, Wasser und Schwefel entstanden: 4 H 2 S + C O 2 → C H 4 + 2 H 2 O + 4 S {\displaystyle \mathrm {4\ H_{2}S+CO_{2}\rightarrow CH_{4}+2\ H_{2}O+4\ S} }(Photosystem I).
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Wie kam das Wasser auf die Erde film
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