Kam das irdische Wasser aus dem Urnebel?

Ozeane im Erdkern: Tief im Erdinneren könnte unser Planet große Mengen Wasser und Wasserstoff aus dem Urnebel gespeichert haben – mehrere Ozeane voll. Denn einem neuen Modell zufolge erhielt die Erde ihr Wasser nicht nur von Asteroiden, sondern auch direkt aus der solaren Urwolke. Dieser kosmische Wasserstoff jedoch sank größtenteils mit dem Eisen in den Erdmantel und Erdkern, wo er noch heute gebunden ist, wie die Forscher berichten.

Unserer Erde ist ein Wasserplanet: Drei Viertel ihrer Oberfläche sind von Ozeanen bedeckt. Doch wo kommt dieses Wasser her? Über diese Frage grübeln und diskutieren Planetenforscher schon seit Jahrzehnten. Gängiger Theorie nach waren es Einschläge von Asteroiden und Kometen auf der jungen Erde, die einen Großteil des irdischen Wasserstoffs und Wassers brachten.

Rätselhafte Diskrepanzen

Allerdings: Ausgerechnet die wasserreichen Kometen passen nicht ins Bild. Denn die Isotopensignatur ihres Wassers stimmt nicht mit dem der irdischen Ozeane überein, wie unter anderem Messungen der Raumsonde Rosetta enthüllten. Während die Weltmeere rund 150 parts per million schweren Wasserstoff in Form von Deuterium enthalten, hat das Wassereis von Kometen wie 67P/Churyumov-Gerasimenko dreimal so viel Deuterium.

Das Wassereis auf Asteroiden besitzt zwar einen ähnlichen Anteil Deuterium wie die irdischen Ozeane – etwa 140 bis 150 parts per million (ppm). Doch wie Forscher vor einigen Jahren feststellten, sind die Ozeane nicht das einzige große Wasserreservoir unseres Planeten: Im tiefen Erdmantel speichert das Gestein mindestens doppelt so viel Wasser wie in allen Weltmeeren zusammen – und dessen Deuteriumgehalt ist deutlich niedriger als beim Asteroiden-Wassereis.

Lieferte Wassetstoff aus der Urwolke die ersten Bausteine für das irdische Wasser? © NASA

Solar Urnebel als Wasserquelle?

Mit anderen Worten: Die gängige Theorie kann nicht vollständig erklären, was damals auf der jungen Erde geschah. „Der Ursprung des Wassers auf der Erde ist noch immer ein ungelöstes Rätsel“, konstatieren Jun Wu von der Arizona State University und seine Kollegen. Sie haben nun eine neue Hypothese entwickelt und im Modell getestet, nach der zumindest ein Teil des irdischen Wassers aus der Urwolke stammen könnte.

„Der solare Urnebel wurde bisher bei dieser Frage am wenigsten berücksichtigt, obwohl er das vorherrschende Reservoir für Wasserstoff im frühen Sonnensystem war“, sagt Wu. Das Problem jedoch: Die Chemie dieses solaren Wasserstoffs passt nicht. Denn er enthält typischerweise nur rund 21 ppm Deuterium und damit viel zu wenig, um das Ozeanwasser geliefert zu haben. Doch Wu und sein Team haben ein Szenario entwickelt, das diese Diskrepanz erklären kann.

Die ersten Phasen im Szenario von Wu und seinem Team © J. Wu, S. Desch/ ASU

Vom Magmaozean in den Erdkern

Ihr Szenario beginnt mit der von einem Magmaozean bedeckten Urerde. Aus der umgebenden Urwolke zog der junge Planet Gase an, die eine erste, wasserstoffreiche Uratmosphäre bildeten. Ein Teil dieses Wasserstoffs löste sich im glutflüssigen Gestein und band an das im Magma vorhandene Eisen. Bei der Bildung der Erdschichten wurde ein großer Teil dieses Wasserstoffs mit dem absinkenden Eisen in den Erdkern gezogen.

Das Entscheidende aber: Weil Deuterium eine geringere Affinität zu Eisen hat als normaler Wasserstoff, kam es zu einer Trennung der Isotope. Dadurch reicherte sich das Wasser in der allmählich erstarrenden Erdkruste und im Erdmantel mit Deuterium an. Gleichzeitig brachten Asteroiden und Kometeneinschläge weiteres Wasser auf die Erdoberfläche – allmählich entstanden die Ozeane.

Eins von hundert Wassermolekülen

Wie plausibel dieses Szenario ist, haben Wu und seine Kollegen in Modellsimulationen überprüft. „Wir berechneten, wie viel Wasserstoff sich im geschmolzenen Mantel lösen konnte und wie viel davon im Erdkern gelandet wäre“, erklärt Wus Kollege Steven Desch. „Dann verglichen wir diese Werte mit aktuellen Deuterium-Anteilen aus Proben des tiefe Erdmantels.“

Das Ergebnis: Insgesamt bekam die Urerde wahrscheinlich genug Wasserstoff für sieben bis acht Ozeane aus extraterrestrischen Quellen. „Die Mehrheit davon stammt tatsächlich aus Asteroiden, aber nicht alles: Um die Werte zu erklären, müssen bis zu 0,5 Ozeane an Wasserstoff aus dem solaren Urnebel stammen“, sagt Wu. Von jeweils 100 Molekülen irdischen Wassers haben demnach ein bis zwei Moleküle ihren Ursprung in der Urwolke.

Der Großteil dieses ganzen „Urwassers“ ist allerdings heute vor uns verborgen: „Unser Planet versteckt die Mehrheit des Wasserstoffs in seinem Inneren: Das Äquivalent von rund zwei Ozeanen ist im tiefen Erdmantel, vier bis fünf weitere Ozeane stecken im Kern“, erklärt Wu. Das was übrig blieb, bildete schließlich unsere Weltmeere.

Bedeutung auch für Exoplaneten

Noch ist dies wenig mehr als eine weitere Theorie. Aber nach Ansicht der Forscher könnten künftige Gesteinsanalysen diese überprüfen. Denn wenn sich einst Gase aus dem Urnebel im irdischen Magmaozean gelöst haben, dann müssten neben dem Wasserstoff auch Kohlenstoff, Stickstoff und Edelgase mit den schweren Elementen in das Erdinnere gesunken sein. „Diese Gase sollten Isotopen-Spuren in der Chemie der tiefen Gesteine hinterlassen haben, nach denen wir nun gezielt suchen können“, sagt Wu.

Interessant ist das neue Szenario auch in Hinblick auch extrasolare Planeten. Sollte es sich bestätigen, würde es erklären, wie Exoplaneten auch ohne Asteroiden zu Wasser kommen können. „Unser Modell deutet darauf hin, dass die Bildung von Wasser fast schon zwangsweise auf jedem ausreichend großen Gesteinsplaneten erfolgen würde“, sagt Wu. „Ich finde das ziemlich spannend.“ (Journal of Geophysical Research: Planets, 2018; doi: 10.1029/2018JE005698)

(American Geophysical Union, 08.11.2018 – NPO)