Die drei Zeitalter des terrestrischen Wassers: Mehrere Ursprünge

Ein globales Mysterium mit mehreren Ursprüngen

Wasser (H₂O) ist nach (H₂) und (CO) eines der am häufigsten vorkommenden Moleküle im Universum, und seine Existenz auf der Erde hat seinen Ursprung in der protosolaren Wolke, dem riesigen Gas- und Staubreservoir, aus dem das Sonnensystem entstand.

Wasser bedeckt mehr als 70 % der Erdoberfläche, doch sein Ursprung wirft immer noch viele Fragen auf. War der Planet schon immer hydriert? Ist dies ein Erbe der protosolaren Wolke oder das Ergebnis zufälliger Kollisionen? Heute identifizieren Geochemiker und Planetologen drei Hauptphasen oder „Alter“ in der Geschichte des terrestrischen Wassers.

Erstes Zeitalter: In den Sonnennebel eingearbeitetes Urwasser

Als die Erde vor 4,56 Milliarden Jahren entstand, enthielt ein erheblicher Teil des akkretierten Materials bereits hydratisierte Mineralien, insbesondere Silikate aus kohlenstoffhaltigen Chondriten. Diese wasserreichen Meteorite in Form von Schichtsilikaten enthalten bis zu 10 % ihrer Masse in H\(_2\)O.
Das Erdinnere war somit in der Lage, bei der Akkretion Wasser in seinem Mantel einzufangen, und zwar mit ausreichendem Druck, um dieses Wasser in gebundener Form zu stabilisieren. Es wird geschätzt, dass der Mantel immer noch die zwei- bis zehnfache Masse der heutigen Ozeane enthalten könnte.

Hinweis: :
DERSchichtsilikatesind Mineralien mit einer Schichtstruktur, in der Wasser und Hydroxylionen \((OH^-)\) zwischen den Atomschichten integriert sind. Ihr Vorkommen in kohlenstoffhaltigen Meteoriten zeugt von einer uralten Wechselwirkung mit flüssigem Wasser, was sie zu wichtigen Indikatoren für das Verständnis der ersten Phasen der Hydratation von Körpern im Sonnensystem macht.

Zweites Zeitalter: das große Spätbombardement

Vor 4,1 bis 3,8 Milliarden Jahren erlebte die Erde einen massiven Zustrom von Himmelskörpern infolge der Neuordnung der Planeten (Nizza-Modell). Eisreiche Kometen und Asteroiden brachten dann Wasser an die Oberfläche.
Isotopenanalysen von Deuterium (\(D/H\)) in den Ozeanen zeigen eine Signatur, die der bestimmter Klassen von Chondriten (insbesondere CM) ähnelt, sich jedoch von der von Kometen vom Oort-Typ unterscheidet.
Durch die Bombardierung gelang es auch, einen Teil des in der Tiefe eingeschlossenen Wassers durch thermische Wirkung zu entgasen und so die ursprüngliche Hydrosphäre zu initiieren.

Hinweis: :
DERChondriten(CM für „Mighei-type Carbonaceous Chondrites“) sind primitive Meteorite, die besonders reich an hydratisierten Mineralien sind und bis zu 10 % Wasser in gebundener Form enthalten. Ihre Wasserstoffisotopenzusammensetzung (\(D/H\)) kommt der der Ozeane der Erde sehr nahe, was sie zu ernsthaften Kandidaten als wichtige Wasserquelle für die frühe Erde macht.

Drittes Zeitalter: Recycling und tektonische Stabilisierung

Die Etablierung der Plattentektonik

Vor 3,5 Milliarden Jahren trat die Erde in eine Phase relativer innerer und äußerer Stabilität ein, die durch die fortschreitende Etablierung des Planeten gekennzeichnet warPlattentektonik. Dieses einzigartige dynamische System im Sonnensystem ermöglicht aKontinuierliches Wasserrecyclingzwischen der Oberfläche (Ozeane, Kruste) und dem Inneren des Planeten (oberer Mantel). Dieses Wasser beeinflusst auch die Plattentektonik, indem es die Verwerfungsreibung verringert.

Die grundlegende Rolle der Subduktion

Während derSubduktion, ozeanische Platten, die mit hydratisierten Sedimenten und Basaltkruste beladen sind, dringen in den Erdmantel ein. Unter dem Einfluss steigenden Drucks und steigender Temperaturen geben diese Materialien ihr Wasser über der eintauchenden Platte ab, was das teilweise Aufschmelzen des Erdmantels auslöst und die Vulkane der Inselbögen speist. Bei diesem Prozess wird Wasserdampf durch vulkanische Ausgasung wieder in die Atmosphäre freigesetzt.

Hydratisierte Mineralien und thermische Stabilität

Dieser Tiefwasserkreislauf wird durch das thermodynamische Gleichgewicht wasserführender Mineralien (wie Lawsonit, Chlorit oder Serpentin) gesteuert, die bei präzisen Drücken (3 bis 10 GPa) und Temperaturen in der Größenordnung von 500 bis 800 °C dehydrieren. Das aktuelle geochemische Modell geht davon aus, dass jedes Jahr etwa 2 bis 3 km Wasser abgezogen werden, während eine vergleichbare Menge durch vulkanische Aktivität freigesetzt wird.

Ein Regulierungszyklus auf planetarischer Ebene

Dieser Mechanismus sorgt dafürlangfristige Regulierungdes Volumens der Ozeane und des globalen Klimas über dietektonischer Thermostat. Wasser spielt auch eine schmierende Rolle beim Gleiten von Lithosphärenplatten, indem es deren effektive Viskosität senkt und konvektive Bewegungen im Mantel erleichtert.

Ein riesiges Wasserreservoir im Fell

Dieses Recycling, gepaart mittiefe LagerungDie Wassermenge in den Mantelübergangszonen (410–660 km Tiefe) ermöglicht die Aufrechterhaltung einer stabilen Hydrosphäre für mehr als 3 Milliarden Jahre. Einige Modelle gehen davon aus, dass der Mantel bis zum Dreifachen der heutigen Masse der Ozeane enthalten könnte, eingeschlossen in Mineralien wie Wadsleyit und Ringwoodit.

Hinweis: :
DortWadsleyitund dieRingwooditsind Polymorphe von Magnesiumsilikat, die unter hohem Druck mehrere Prozent Wasser in ihre Kristallstruktur einbauen können. Ihre Anwesenheit in der Übergangszone des Erdmantels lässt auf ein riesiges unterirdisches Wasserreservoir schließen.

Wasser auf der Erde: Ein prekäres Gleichgewicht

Die Gesamtmasse des Wassers auf der Erde wird auf etwa \(1,4 \times 10^{21}\) kg geschätzt. Doch nur ein Bruchteil (0,023 %) steht an der Oberfläche in flüssiger Form zur Verfügung. Der Rest ist in Eis, Grundwasser und hydratisierten Mineralien eingeschlossen. Ein Einzelfall bleibt die Erde mit ihrer Hydrosphäre, die seit mehr als 3 Milliarden Jahren stabil ist.

Quellen:Natur – Marty et al. (2015), Wissenschaft – Alexander et al. (2012), NASA – Erforschung des Sonnensystems.