Herkunft des irdischen Wassers

Wasser bedeckt ca. 70 % der Erdoberfläche

Die Herkunft des irdischen Wassers, insbesondere die Frage, warum auf der Erde deutlich mehr Wasser vorkommt als auf den anderen erdähnlichen Planeten des Sonnensystems – Merkur, Venus und Mars –, ist bis heute nicht vollständig geklärt.

Ein Teil des Wassers ist durch Ausgasen des Magmas entstanden, entstammt also dem Erdinneren. Ein weiterer Anteil ist durch Einschläge (Impakte) von Kometen, transneptunischen Objekten oder wasserreichen Asteroiden (Protoplaneten) aus den äußeren Bereichen des Asteroidengürtels auf die Erde gekommen. Messungen des Mengenverhältnisses der beiden Wasserstoffisotope Deuterium und Protium (D/H-Verhältnis) deuten dabei eher auf Asteroiden hin, da in Wassereinschlüssen in kohligen Chondriten ähnliche Verhältnisse gefunden wurden wie in ozeanischem Wasser, wohingegen bisherige Messungen dieses Isotopen-Verhältnisses an Kometen und transneptunischen Objekten nur schlecht mit irdischem Wasser übereinstimmten.

Für die derzeitigen Wasservorkommen des Sonnensystems und speziell der Erde siehe den Abschnitt Vorkommen im Artikel Wasser.

Erdentstehung: Trockene oder nasse Akkretion?

Eines der Hauptprobleme beim Versuch der Klärung der Herkunft des irdischen Wassers bildet die Frage nach dem Wassergehalt der Planetesimale, welche die Erde bildeten. Hier gibt es zwei Modelle, das Modell der sogenannten trockenen Akkretion (engl. dry accretion), nach dem der Wassergehalt zu niedrig war, um die heutige Wassermenge auf der Erde zu erklären,^[1] und das Modell der nassen Akkretion (engl. wet accretion), nach dem genügend Wasser in den Planetesimalen vorhanden war.^[2] Je nachdem, welches Modell man annimmt, kann man die Herkunft entweder durch reines vulkanisches Ausgasen aus dem Erdinneren erklären oder man benötigt extraterrestrische Quellen. Heutige Vulkane emittieren zwar Wasserdampf, jedoch stammt dieser überwiegend nicht aus dem Erdinnern, sondern von der Erdoberfläche. So konnte z. B. an Vulkanen in Hawaii gezeigt werden, 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.

Entstehen durch Ausgasen aus dem Erdinneren

Vertreter einer irdischen Herkunft des Wassers durch Ausgasen aus dem Erdinneren ist M. J. Drake ^[4]. Drake begründet die irdische Herkunft des Wassers mit isotopischen Untersuchungen 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 von ersten Ozeanen.

Extraterrestrische Quellen

gewöhnlicher Chondrit

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 ist nach Messung des Isotopenverhältnisses von Wasserstoff in den drei Kometen Halley, Hyakutake und Hale-Bopp durch Forscher wie David Jewitt ursprünglich für unwahrscheinlich gehalten worden, da demnach das Verhältnis von Deuterium zu Protium (D/H-Verhältnis) von Kometen etwa doppelt so hoch ist wie in ozeanischem Wasser ^[5]. Nicht klar ist dabei allerdings, ob diese Kometen repräsentativ für Kometen aus dem Kuipergürtel sind. Zudem ist inzwischen eine neue Klasse von Kometen im Hauptasteroidengürtel entdeckt worden, welche als Quelle für das irdische Wasser in Frage kommen ^[6]. Der Asteroidengürtel wurde früher bereits als Quelle des Wassers vorgeschlagen. 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, wofür das D/H-Verhältnis von kohligen Chondriten spricht. Wassereinschlüsse in kohligen Chondriten zeigen ein ähnliches D/H-Verhältnis wie ozeanisches Wasser.

Der Zerfall des Kometen C/1999 S4 LINEAR lieferte den Nachweis, dass Kometen auch Wasser enthalten können, das das Isotopenverhältnis irdischen Wassers enthält. Dieser Komet entstand vermutlich in der Nähe der Umlaufbahn von Jupiter, so dass andere Kometen, die auch hier entstanden, das gleiche Isotopenverhältnis haben dürften. Diese Beobachtung verstärkt die Theorie, dass das irdische Wasser aus Kometen stammt, die durch den Einfluss der Gravitation Jupiters die Erde treffen konnten.^[8]

Rolle der Lebewesen

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 Wasser und Schwefel entstanden:

$\mathrm{ 4\ H_2S + CO_2 \rightarrow CH_4 + 2\ H_2O + 4\ S }$

(Photosystem I).

Literatur

• Jörn Müller, Harald Lesch (2003): Woher kommt das Wasser der Erde? – Urgaswolke oder Meteoriten. In: Chemie in unserer Zeit. 37, 4, ISSN 0009-2851, S. 242–246.
• Thérèse Encrenaz: Searching for water in the universe. Springer, Berlin 2006, ISBN 0-387-34174-9.
• Arnold Hanslmeier: Water in the Universe. Springer, Dordrecht 2011, ISBN 978-90-481-9984-6.

Weblinks

• Vom Ursprung des Wassers planeterde.de - Herausgeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung, Referat „System Erde“

Einzelnachweise

1. ↑ A.P. Boss Temperatures in protoplanetary disks Ann. Rev. Earth Planet. Sci. 26, 26-53 (1998)
2. ↑ M.J. Drake, K. Righter Determining the composition of the Earth. Nature 416, 39-44 (2002)
3. ↑ AN ISOTOPE HYDROLOGY STUDY OF THE KILAUEA VOLCANO AREA, HAWAII. U.S. GEOLOGICAL SURVEY, Water-Resources Investigations Report 95-4213 [1]
4. ↑ M.J. Drake Origin of Water in the Terrestrial Planets Meteoritics & Planetary Science, 39, Supplement. 2004
5. ↑ R. Meier, T.C. Owen, H.E. Matthews, D.C. Jewitt, D. Bockele´e-Morvan, N. Biver, J. Crovisier, D. Gautier A Determination of the HDO/H2O Ratio in Comet C/1995 O1 (Hale-Bopp). Science, 279, 842-844 (1998) [2]
6. ↑ H.H. Hsieh, D. Jewitt A Population of Comets in the Main Asteroid Belt. Science, 312, 561-563 (2006)[3]
7. ↑ A. Morbidelli, J. Chambers, J.I. Lunine, J.M. Petit, F. Robert, G.B. Valsecchi, K.E. Cyr Source regions and timescales for the delivery of water to the Earth Meteoritics & Planetary Science 35, 2000, S. 1309–1329
8. ↑ First evidence that comets filled the oceans (NASA)