Laut einer neuen Studie ist das Wasser der Erde 4,5 Milliarden Jahre alt

Der Ursprung des Wassers auf der Erde ist ein anhaltendes Rätsel. Es gibt verschiedene Hypothesen und Theorien, die erklären, wie das Wasser hierher gekommen ist, und viele Beweise, die sie stützen.

Aber Wasser ist in protoplanetaren Scheiben allgegenwärtig, und der Ursprung des Wassers ist vielleicht gar nicht so mysteriös.

Ein Forschungsartikel in Elemente zeigt, dass andere junge Sonnensysteme reichlich Wasser haben. In Sonnensystemen wie unserem ist Wasser mit dabei, wenn der junge Stern wächst und sich Planeten bilden. Der Beweis liegt im Schwerwassergehalt der Erde und zeigt, dass das Wasser unseres Planeten 4,5 Milliarden Jahre alt ist.

Der Artikel lautet „Wir trinken gutes 4,5 Milliarden Jahre altes Wasser“, und die Autoren sind Cecilia Ceccarelli und Fujun Du. Ceccarelli ist ein italienischer Astronom am Institut für Planetenwissenschaften und Astrophysik in Grenoble, Frankreich. Du ist Astronom am Purple Mountain Observatory in Nanjing, China.

Die Entstehung eines Sonnensystems beginnt mit einer riesigen Molekülwolke. Die Wolke besteht hauptsächlich aus Wasserstoff, dem Hauptbestandteil von Wasser. Als nächstes folgen Helium, Sauerstoff und Kohlenstoff in der Reihenfolge ihrer Häufigkeit. Die Wolke enthält auch winzige Körner aus Silikatstaub und kohlenstoffhaltigem Staub. Der Forschungsartikel führt uns durch die Geschichte des Wassers in unserem Sonnensystem, und hier beginnt er.

Hier draußen in den kalten Bereichen einer Molekülwolke, wenn Sauerstoff auf ein Staubkorn trifft, gefriert es und haftet an der Oberfläche. Aber Wasser ist nicht Wasser, bis sich Wasserstoff und Sauerstoff verbinden und die leichteren Wasserstoffmoleküle in der Wolke auf den gefrorenen Staubkörnern herumhüpfen, bis sie auf Sauerstoff treffen. Wenn das passiert, reagieren sie und bilden Wassereis – zwei Arten von Wasser: normales Wasser und schweres Wasser, das Deuterium enthält.

Deuterium ist ein Wasserstoffisotop, das als schwerer Wasserstoff (HDO) bezeichnet wird. Es hat ein Proton und ein Neutron in seinem Kern. Das unterscheidet es von „normalem“ Wasserstoff, genannt Protium. Protium hat ein Proton, aber kein Neutron. Beide Wasserstoffisotope sind stabil und bestehen bis heute, und beide können sich mit Sauerstoff zu Wasser verbinden.

Wenn Wassereis einen Mantel auf Staubkörnern bildet, nennen die Autoren dies die kalte Phase, Schritt eins in dem Prozess, den sie in ihrem Artikel skizzieren.

Die Schwerkraft beginnt sich in der Wolke auszuüben, wenn Materie im Zentrum zusammenklumpt. Mehr Masse fällt in das Zentrum der Molekülwolke und beginnt, einen Protostern zu bilden. Ein Teil der Schwerkraft wird in Wärme umgewandelt, und innerhalb weniger astronomischer Einheiten (AE) vom Zentrum der Wolke erreichen das Gas und der Staub in der Scheibe 100 Kelvin.

100 K sind für irdische Verhältnisse bitterkalt, nur –173 Grad Celsius. Aber chemisch gesehen reicht es aus, um die Sublimation auszulösen, und das Eis verwandelt sich in Wasserdampf. Die Sublimation findet in einer heißen Corino-Region statt, einer warmen Hülle, die das Zentrum der Wolke umgibt. Obwohl sie auch komplexe organische Moleküle enthalten, ist Wasser das am häufigsten vorkommende Molekül in Corinos.

Wasser ist an dieser Stelle reichlich vorhanden, obwohl es alles Dampf ist. „… ein typischer heißer Corino enthält etwa das 10.000-fache des Wassers der Ozeane der Erde“, schreiben die Autoren.

Das ist der zweite Schritt in dem von den Autoren skizzierten Prozess, und sie nennen ihn die Protosternphase.

Als nächstes beginnt sich der Stern zu drehen, und das umgebende Gas und der Staub bilden eine abgeflachte, rotierende Scheibe, die als protoplanetare Scheibe bezeichnet wird. Alles, was schließlich zu den Planeten und anderen Merkmalen des Sonnensystems wird, befindet sich in dieser Scheibe.

Der junge Protostern sammelt immer noch Masse und sein Fusionsleben auf der Hauptsequenz liegt noch weit in der Zukunft. Der junge Stern erzeugt durch Erschütterungen auf seiner Oberfläche etwas Wärme, aber nicht viel. Die Scheibe ist also kalt, und die Regionen, die am weitesten vom jungen Protostern entfernt sind, sind die kältesten. Was als nächstes passiert, ist laut den Autoren entscheidend.

Das im ersten Schritt gebildete Wassereis wird im zweiten Schritt vergast, kondensiert aber in den kältesten Bereichen der protoplanetaren Scheibe wieder. Dieselbe Population von Staubkörnern ist wieder mit einem Eismantel bedeckt. Aber jetzt enthalten die Wassermoleküle in diesem eisigen Mantel die Geschichte des Wassers im Sonnensystem. „Daher sind Staubkörner die Wächter der Wasservererbung“, schreiben die Autoren.

Das ist Schritt drei im Prozess.

Im vierten Schritt nimmt das Sonnensystem Gestalt an und ähnelt einem vollständiger ausgebildeten System. All die Dinge, an die wir gewöhnt sind, wie Planeten, Asteroiden und Kometen, beginnen sich zu bilden und ihre Umlaufbahnen einzunehmen. Und woraus stammen sie? Diese winzigen Staubkörner und ihre zweimal gefrorenen Wassermoleküle.

In dieser Situation befinden wir uns heute. Während Astronomen nicht in die Vergangenheit reisen können, werden sie immer besser darin, andere junge Sonnensysteme zu beobachten und Hinweise auf den gesamten Prozess zu finden. Das Wasser der Erde enthält auch einen entscheidenden Hinweis: das Verhältnis von schwerem Wasser zu normalem Wasser.

Einige Details sind bei der bisher gegebenen einfachen Erklärung ausgelassen. Wenn sich in Schritt eins Wassereis bildet, ist die Temperatur extrem niedrig. Das löst ein ungewöhnliches Phänomen namens Super-Deuteration aus. Superdeuteration bringt mehr Deuterium in das Wassereis ein als bei anderen Temperaturen.

Deuterium wurde erst in den Sekunden nach dem Urknall gebildet. Es entstand nicht viel davon: nur ein Deuterium auf 100.000 Protiumatome. Das bedeutet, dass, wenn das Deuterium gleichmäßig mit dem Wasser des Sonnensystems vermischt wäre, die Häufigkeit von schwerem Wasser als 10-5 ausgedrückt würde. Aber es kommt noch mehr Komplexität.

In einem heißen Corino ändert sich die Fülle. „Bei heißen Corinos liegt das HDO/H2O-Verhältnis jedoch nur etwas unter 1/100“, erklären die Autoren. (HDO sind Wassermoleküle, die zwei Deuteriumisotope enthalten, und H2O ist normales Wasser, das zwei Protiumisotope enthält.)

Es gibt noch mehr Extremität. „Um die Dinge noch extremer zu machen“, erklären die Autoren, „ist das doppelt deuterierte Wasser D2O 1/1000 in Bezug auf H2O, nämlich etwa 107-mal größer als das, was aus dem D/H-Elementhäufigkeitsverhältnis geschätzt würde.“

Die Verhältnisse enthalten aufgrund der Superdeuterierung so große Mengen an Deuterium. In dem Moment, in dem sich Eis auf den Oberflächen der Staubkörner bildet, landet eine erhöhte Anzahl von D-Atomen im Vergleich zu H-Atomen auf den Kornoberflächen. Die eingehende chemische Erklärung würde den Rahmen dieses Artikels sprengen, aber die Schlussfolgerung ist klar. „Es gibt keine anderen Möglichkeiten, diese große Menge an schwerem Wasser in heißen Corinos oder im Allgemeinen zu erhalten“, schreiben die Autoren. „Daher ist reichlich schweres Wasser ein Kennzeichen der Wassersynthese in der kalten Molekülwolkenklumpen während der STEP-1-Ära.“

Das Wichtigste bisher ist, dass es zwei Episoden der Wassersynthese gibt. Das erste passiert, wenn sich das Sonnensystem noch nicht gebildet hat und nur eine kalte Wolke ist. Der zweite ist, wenn sich Planeten bilden. Die beiden treten unter unterschiedlichen Bedingungen auf, und diese Bedingungen hinterlassen ihren Isotopenabdruck im Wasser. Wasser aus der ersten Synthese ist 4,5 Milliarden Jahre alt, und die Frage lautet: „Wie viel von diesem alten Wasser hat die Erde erreicht?“

Um das herauszufinden, beobachteten die Autoren die einzigen zwei Dinge, die sie konnten: die Menge an Wasser insgesamt und die Menge an deuteriertem Wasser. Wie die Autoren es ausdrücken: „… nämlich das Verhältnis von schwerem zu normalem Wasser, HDO/H2O.“

Es wurde mehr als genug Wasser geschaffen, um das Wasser der Erde zu erklären. Denken Sie daran, dass die Wassermenge im heißen Corino 10.000 Mal größer war als das Wasser der Erde, und sein HDO / H2O-Verhältnis unterscheidet sich von dem Wasser, das in der ursprünglichen Wolke gebildet wurde. Wie viel des Corino-Wassers erreichte die Erde? Einen Hinweis liefert der Vergleich der HDO/H2O-Werte in terrestrischem Wasser mit denen heißer Corinos.

Heiße Corinos sind der einzige Ort, an dem wir HDO in noch entstehenden, sonnenähnlichen Planetensystemen beobachtet haben. In früheren Forschungsarbeiten verglichen Wissenschaftler diese Verhältnisse mit Verhältnissen in Objekten in unserem Sonnensystem – Kometen, Meteoriten und Saturns Eismond Enceladus. Sie wissen also, dass der Schwerwasservorkommen der Erde, das HDO/H2O-Verhältnis, etwa zehnmal größer ist als im Universum und zu Beginn des Sonnensystems. „Schweres Wasser auf der Erde ist etwa zehnmal größer als das elementare D/H-Verhältnis im Universum und folglich bei der Geburt des Sonnensystems im sogenannten Sonnennebel“, erklären die Autoren.

Die Ergebnisse all dieser Arbeiten zeigen, dass zwischen 1 % und 50 % des Wassers der Erde aus der Anfangsphase der Geburt des Sonnensystems stammten. Das ist eine breite Palette, aber es ist immer noch ein bedeutendes Stück Wissen.

Die Autoren fassen die Dinge in ihrem Fazit zusammen. „Auch das Wasser in Kometen und Asteroiden (von denen die allermeisten Meteoriten stammen) wurde von Anfang an in großen Mengen vererbt. Die Erde hat ihr ursprüngliches Wasser wahrscheinlich überwiegend von Planetesimalen geerbt, die die Vorläufer der Asteroiden und Planeten sein sollen die Erde geformt haben, und nicht aus den Kometen, die auf sie geregnet haben.“

Lieferung durch Kometen ist eine weitere Hypothese für das Wasser der Erde. In dieser Hypothese erreicht gefrorenes Wasser von jenseits der Frostgrenze die Erde, wenn Kometen gestört werden, und wird von der gefrorenen Oortschen Wolke in das innere Sonnensystem geschickt. Die Idee macht Sinn.

Aber diese Studie zeigt, dass das möglicherweise nicht stimmt.

Es lässt aber noch Fragen offen. Es erklärt nicht, wie all das Wasser die Erde erreicht hat. Aber die Studie zeigt, dass die Menge an schwerem Wasser auf der Erde zumindest der Anfang ist, um dies herauszufinden.

„Zusammenfassend ist die Menge an schwerem Wasser auf der Erde unser Ariadne-Faden, der uns helfen kann, aus dem Labyrinth aller möglichen Wege herauszukommen, die das Sonnensystem möglicherweise eingeschlagen hat“, erklären sie.

Das Wasser der Erde ist 4,5 Milliarden Jahre alt, genau wie der Titel des Artikels sagt. Zumindest ein Teil davon. Laut den Autoren wurde es wahrscheinlich von Planetesimalen auf die Erde gebracht, aber wie genau das passiert, ist nicht klar. Es gibt noch viel mehr Komplexität, die Wissenschaftler durchgehen müssen, bevor sie das herausfinden können. „Das Thema ist ziemlich kompliziert, weil der Ursprung und die Entwicklung des Wassers auf der Erde unweigerlich mit anderen wichtigen Teilnehmern auf diesem Planeten verbunden sind, zB Kohlenstoff, molekularem Sauerstoff und dem Magnetfeld“, schreiben die Autoren.

All diese Dinge hängen zusammen mit der Entstehung des Lebens und der Entstehung von Welten. Wasser spielte wahrscheinlich eine Rolle bei der Bildung der Planetesimale, die es zur Erde brachten. Wasser spielte wahrscheinlich eine Rolle bei der Sequestrierung anderer Chemikalien, einschließlich der Bausteine ​​des Lebens, auf Gesteinskörpern, die sie zur Erde brachten.

Wasser steht im Mittelpunkt von allem, und indem sie zeigten, dass ein Teil davon bis zu den Anfängen des Sonnensystems zurückreicht, haben die Autoren einen Ausgangspunkt für die Erforschung des Rests geschaffen.

„Hier haben wir eine vereinfachte Frühgeschichte des Wassers der Erde nach den neuesten Beobachtungen und Theorien dargestellt“, schreiben sie. „Ein guter Teil des terrestrischen Wassers bildete sich wahrscheinlich ganz am Anfang der Geburt des Sonnensystems, als es eine kalte Gas- und Staubwolke war, die während der verschiedenen Schritte, die zur Bildung von Planeten, Asteroiden und Kometen führten, gefroren und konserviert wurde und wurde schließlich auf die entstehende Erde übertragen.“

„Wie die letzte Passage passiert ist, ist ein weiteres faszinierendes Kapitel“, schlussfolgern sie.