Wie kam die Erde zu ihrem Wasser?

Entdeckungen von Exoplaneten geben Aufschluss über ein neues Modell, das den Ursprung einiger charakteristischer Merkmale der Erde, wie z. B. ihren Wasserreichtum, erklären könnte

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Das Wasser auf unserem Planeten könnte durch Wechselwirkungen zwischen den wasserstoffreichen Atmosphären und Magmaozeanen der Planetenembryonen entstanden sein, aus denen sich die Erde in ihren Anfangsjahren zusammensetzte, so eine neue Arbeit von Anat Shahar von Carnegie Science und Edward Young und Hilke Schlichting von der UCLA. Ihre Ergebnisse, die den Ursprung der charakteristischen Merkmale der Erde erklären könnten, werden in Nature veröffentlicht.

Jahrzehntelang basierte das, was Forscher über die Entstehung von Planeten wussten, hauptsächlich auf unserem eigenen Sonnensystem. Obwohl die Entstehung von Gasriesen wie Jupiter und Saturn umstritten ist, herrscht weitgehend Einigkeit darüber, dass die Erde und die anderen Gesteinsplaneten aus der Staub- und Gasscheibe entstanden sind, die unsere Sonne in ihrer Jugend umgab.

Als immer größere Objekte aufeinander prallten, wurden die kleinen Planetesimale, aus denen schließlich die Erde entstand, sowohl größer als auch heißer und schmolzen durch die Hitze der Kollisionen und radioaktive Elemente zu einem riesigen Magmaozean. Im Laufe der Zeit, als der Planet abkühlte, sank das dichteste Material nach innen und trennte die Erde in drei verschiedene Schichten – den metallischen Kern, den felsigen, silikatischen Mantel und die Kruste.

Die explosionsartige Entwicklung der Exoplanetenforschung im letzten Jahrzehnt hat jedoch zu einem neuen Ansatz bei der Modellierung des embryonalen Zustands der Erde geführt.

„Die Entdeckungen von Exoplaneten haben uns ein viel besseres Verständnis dafür vermittelt, wie häufig es vorkommt, dass frisch entstandene Planeten in den ersten Millionen Jahren ihres Wachstums von Atmosphären umgeben sind, die reich an molekularem Wasserstoff (H2) sind“, erklärt Shahar. „Irgendwann lösen sich diese Wasserstoffhüllen auf, aber sie hinterlassen ihre Fingerabdrücke auf der Zusammensetzung des jungen Planeten“.

Auf der Grundlage dieser Informationen entwickelten die Forscher neue Modelle für die Entstehung und Entwicklung der Erde, um herauszufinden, ob die besonderen chemischen Eigenschaften unseres Heimatplaneten nachgebildet werden können.

Mithilfe eines neu entwickelten Modells konnten die Carnegie- und UCLA-Forscher zeigen, dass in der Frühzeit der Erde Wechselwirkungen zwischen dem Magmaozean und einer molekularen Wasserstoff-Protoatmosphäre zu einigen der charakteristischen Merkmale der Erde geführt haben könnten, wie z. B. ihrem Wasserreichtum und ihrem insgesamt oxidierten Zustand.

Die Forscher nutzten mathematische Modelle, um den Austausch von Materialien zwischen molekularen Wasserstoffatmosphären und Magmaozeanen zu erforschen, indem sie 25 verschiedene Verbindungen und 18 verschiedene Arten von Reaktionen untersuchten – komplex genug, um wertvolle Daten über die mögliche Entstehungsgeschichte der Erde zu liefern, aber einfach genug, um sie vollständig zu interpretieren.

Die Wechselwirkungen zwischen dem Magmaozean und der Atmosphäre in ihrem simulierten Erdbaby führten zur Bewegung großer Mengen Wasserstoff in den metallischen Kern, zur Oxidation des Erdmantels und zur Produktion großer Mengen an Wasser.

Selbst wenn das gesamte Gesteinsmaterial, das zur Bildung des wachsenden Planeten zusammenstieß, völlig trocken wäre, würden diese Wechselwirkungen zwischen der molekularen Wasserstoffatmosphäre und dem Magmaozean große Mengen an Wasser erzeugen, so die Forscher. Andere Wasserquellen seien zwar möglich, aber nicht notwendig, um den aktuellen Zustand der Erde zu erklären.

„Dies ist nur eine mögliche Erklärung für die Entwicklung unseres Planeten, aber eine, die eine wichtige Verbindung zwischen der Entstehungsgeschichte der Erde und den am häufigsten entdeckten Exoplaneten, die ferne Sterne umkreisen und als Super-Erden und Sub-Neptune bezeichnet werden, herstellen würde“, schloss Shahar.

Dieses Projekt war Teil des von Shahar initiierten und geleiteten interdisziplinären, institutionenübergreifenden AEThER-Projekts, das darauf abzielt, die chemische Zusammensetzung der häufigsten Planeten der Milchstraßengalaxie – Super-Erden und Sub-Neptune – aufzudecken und einen Rahmen für die Entdeckung von Lebensspuren auf fernen Welten zu entwickeln. Das von der Alfred P. Sloan Foundation finanzierte Projekt wurde entwickelt, um zu verstehen, wie die Entstehung und Entwicklung dieser Planeten ihre Atmosphären prägen. Dies wiederum könnte die Wissenschaftler in die Lage versetzen, echte Biosignaturen, die nur durch das Vorhandensein von Leben entstehen können, von atmosphärischen Molekülen nicht-biologischen Ursprungs zu unterscheiden.

„Immer leistungsfähigere Teleskope ermöglichen es den Astronomen, die Zusammensetzung der Atmosphären von Exoplaneten in noch nie dagewesenen Details zu verstehen“, so Shahar. „Die Arbeit von AEThER wird ihre Beobachtungen mit experimentellen und modellierten Daten untermauern, die, so hoffen wir, zu einer narrensicheren Methode für den Nachweis von Anzeichen von Leben auf anderen Welten führen werden.“