Wissenschaftler stellen neue Theorie für den Ursprung des Wassers der Erde auf

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Das Wasser der Erde könnte nach neuen Forschungen der Arizona State University sowohl aus Asteroidenmaterial als auch aus Gasen stammen, das von der Sonnenbildung übriggebliebenem ist. Die neuen Forschungsergebnisse könnten den Wissenschaftlern wichtige Erkenntnisse über die Entwicklung anderer Exoplaneten liefern und Hinweise geben, ob diese lebensfreundlich sein könnten.

In einer neuen Studie im Journal of Geophysical Research: Planets, einer Zeitschrift der American Geophysical Union, schlagen Forscher eine neue Theorie vor, um das seit langem bestehende Mysterium, woher das viele Wasser der Erde stammt und wie es auf die Erde gekommen ist, anzugehen.

In der neuen Studie werden weit verbreitete Vorstellungen über den Wasserstoff im Wasser der Erde in Frage gestellt, indem vermutet wird, dass das Element teilweise aus Staub- und Gaswolken stammte, die nach der Entstehung der Sonne, dem sogenannten Sonnennebel, zurückblieben.

Um Wasserquellen auf der Erde zu identifizieren, haben Wissenschaftler nach Wasserstoff statt nach Sauerstoff gesucht, da der erstere Bestandteil des Wassers im Sonnensystem sehr viel öfter vorhanden ist.

Viele Wissenschaftler haben in der Vergangenheit die These vertreten, dass das gesamte Wasser der Erde von Asteroiden stammt, da es Ähnlichkeiten zwischen irdischem Meerwasser und Wasser auf Asteroiden gibt . Das Verhältnis von Deuterium, einem schwereren Wasserstoffisotop, zu normalem Wasserstoff dient als eindeutige chemische Signatur von Wasserquellen. Bei den Ozeanen der Erde liegt das Verhältnis von Deuterium zu Wasserstoff in der Nähe des Asteroidenverhältnisses.

Laut den Autoren der Studie erzählt der Ozean möglicherweise nicht die gesamte Geschichte des Wasserstoffs der Erde.

“Es ist ein blinder Fleck in der Wissenschaft”, sagte Steven Desch – Professor für Astrophysik an der School of Earth und Weltraumforschung an der Arizona State University in Tempe, Arizona – und Mitautor der neuen Studie unter der Leitung von Peter Buseck, Professor an der School of Earth und Space Exploration und der School of Molecular Sciences an der Arizona State University.

“Wenn Menschen das [Deuterium-zu-Wasserstoff] -Verhältnis im Meerwasser messen und feststellen, dass es ziemlich nahe an dem liegt, was wir bei Asteroiden sehen, war es immer leicht zu glauben, dass alles von Asteroiden stammt.”

Neuere Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Wasserstoff in den Ozeanen nicht den Wasserstoff auf der ganzen Erde darstellt, sagten die Autoren der Studie. Wasserstoffproben aus dem tiefem Erdinneren, nahe der Kern-Mantel-Grenze, haben deutlich weniger Deuterium. Dies deutet darauf hin, dass dieser Wasserstoff möglicherweise nicht von Asteroiden stammt. Die Edelgase Helium und Neon mit isotopischen Signaturen, die typisch für den solaren Neben sind, wurden ebenfalls im Erdmantel gefunden.

In der neuen Studie entwickelten die Forscher ein neues theoretisches Modell der Erdbildung, um diese Unterschiede zwischen Wasserstoff in den Ozeanen und des der Kernmantelgrenze sowie die Anwesenheit von Edelgasen tief im Planeten zu erklären.

Den Anfang der Erde modellieren

Gemäß ihrem neuen Modell entwickelten sich vor einigen Milliarden Jahren große wasserreiche Asteroiden zu Planeten, während der Sonnennebel immer noch um die Sonne wirbelte. Diese Asteroiden, bekannt als Planetenembryonen, kollidierten und wuchsen rasch. Schließlich brachte eine Kollision genug Energie, um die Oberfläche des größten Embryos in einen Magma-Ozean zu schmelzen. Dieser größte Embryo würde schließlich zur Erde werden.

Gase aus dem Sonnennebel, einschließlich Wasserstoff und Edelgase, wurden von dem großen, mit Magma bedeckten Embryo angesaugt, um eine frühe Atmosphäre zu bilden. Nebulärer Wasserstoff, der weniger Deuterium enthält und leichter als asteroider Wasserstoff ist, löst sich im geschmolzenen Eisen des Magmaozeans.

Durch einen Prozess namens Isotopenfraktionierung wurde Wasserstoff in Richtung des Zentrums der jungen Erde gezogen. Wasserstoff, der von Eisen angezogen wird, wurde durch das Metall an den Kern abgegeben, während ein Großteil des schwereren Isotops Deuterium im Magma verblieb, das schließlich abkühlte und zum Mantel wurde, so die Autoren der Studie. Auswirkungen von kleineren Embryonen und anderen Objekten fügten dann Wasser und Gesamtmasse hinzu, bis die Erde ihre endgültige Größe erreichte.

Dieses neue Modell würde erklären, wieso Edelgase tief im Mantel vorkommen und warum es an der Kern-Mantel-Grenze ein anderes Deuterium-Wasserstoff-Verhältnis gibt, als in den Ozeanen.

Die Autoren verwendeten das Modell, um einzuschätzen, wie viel Wasserstoff aus jeder Quelle kam. Sie kamen zu dem Schluss, dass das Meiste von Asteroiden, aber ein Teil des Wassers auf der Erde aus dem Sonnennebel stammte.

“Für je 100 Moleküle Wasser der Erde kommen ein oder zwei aus dem Sonnennebel”, sagte Jun Wu, Assistenzprofessor an der School of Molecular Sciences und der School of Earth and Space Exploration der Arizona State University und Hauptautor der Studie.

Ein aufschlussreiches Modell

Die Studie bietet Wissenschaftlern auch neue Perspektiven für die Entwicklung anderer (Exo)Planeten und ihr Potenzial zur Entwicklung von Leben, so die Autoren. Erdähnliche Planeten in anderen Sonnensystemen haben möglicherweise nicht alle Zugang zu mit Wasser beladenen Asteroiden. Die neue Studie legt nahe, dass diese Exoplaneten Wasser durch den eigenen Solarnebel ihres Systems erhalten haben könnten.

“Dieses Modell legt nahe, dass die unvermeidliche Wasserbildung wahrscheinlich auf ausreichend großen felsigen Exoplaneten in extrasolaren Systemen auftreten würde”, sagte Wu. “Ich finde das sehr aufregend.”

Anat Shahar, ein Geochemiker an der Carnegie Institution for Science, der nicht an der Studie beteiligt war, stellte fest, dass der Faktor für die Fraktionierung von Wasserstoff das Verhältnis von Deuterium zu Wasserstoff ändert, wenn sich das Element messbar in Eisen auflöst. Für die neue Studie musste diese Eigenschaft von Wasserstoff geschätzt werden.

Das neue Modell, das gut in die aktuelle Forschung passt, könnte getestet werden, sobald Experimente den Wasserstofffraktionierungsfaktor belegen, sagte Shahar.

“Diese Veröffentlichung ist eine sehr kreative Alternative zu einem alten Problem”, sagte Shahar.

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Veröffentlichung: Jun Wu, Steven J. Desch, Laura Schaefer, Linda T. Elkins-Tanton, Kaveh Pahlevan, Peter R. Buseck. Origin of Earth’s Water: Chondritic Inheritance Plus Nebular Ingassing and Storage of Hydrogen in the Core. Journal of Geophysical Research: Planets, 2018; DOI: 10.1029/2018JE005698

Quelle: off. Pm der American Geophysical Union

Titelbildunterschrift: Künstlerische Vorstellung von Staub und Gas, die ein neu gebildetes Planetensystem umgeben. (Ill:: NASA)

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Pia Gaupels

Gründerin bei GeoHorizon
Pia Gaupels, *86, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. 2015 gründete Sie die Seite Geohorizon. Sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung und arbeitet seit 2018 wieder als Bibliothekarin.