„Altes Wasser“ auf der Erde

Woher stammt das Wasser auf der Erde und den anderen Planeten des Sonnensystems?
Innerhalb unseres Planetensystems finden wir fast überall Wasser: auf der Erde, dem Mond, den Planeten Mars und Merkur [1], in Kometen und auf den Eismonden der Riesenplaneten (Abb. 1). Auf der Erde ist Wasser fast überall zu finden: mehr als 70 % der Erdoberfläche ist von Wasser bedeckt; der menschliche Körper besteht ebenfalls hauptsächlich aus Wasser.

Die Anwesenheit von flüssigem Wasser hat zur Entstehung von Leben auf der Erde beigetragen – das gilt als unbestritten. Die Beantwortung der Frage nach dem Ursprung des Wassers im Sonnensystem ist für unser Verständnis der Entstehung von Leben von zentraler Bedeutung.

Abb. 1 Schematische Darstellung der Menge an (flüssigem) Wasser
auf der Erde sowie den Planetenmonden Europa und Titan [1].
Wahrscheinlich besitzt Europa doppelt so viel und Tital elf mal mehr
Wasser als die Ozeane der Erde.  (c) PHL@UPR Arecibo, NASA

Wir wissen, dass sich Wasser bereits in den riesigen Wolken des Interstellaren Mediums [1] bildet. Diese Wolken bestehen aus Gas und Staub. Unter bestimmten Bedingungen können sich in diesen interstellaren Wolken Planetensysteme bilden, jedoch werden Moleküle wie Wasser schnell zerstört, wenn sich ein Stern bildet. Die zur Entstehung eines Sternes notwendigen Temperaturen sind derart hoch, dass Moleküle in einem großen Bereich dieser Urwolke nicht mehr bestehen können. Auch ein kräftiges Durchmischen der protoplanetaren Scheibe bringt nach der Entstehung der Sonne Wasser nicht mehr bis in die inneren Bereiche des Planetensystems, bis zur Erde [3].

Wie jedoch kommt es, dass das Sonnensystem so viel Wasser enthält?
Aussagen über die Herkunft und die Menge des im Sonnensystem enthaltenen Wassers können mithilfe der Untersuchung von Kometen und Asteroiden gemacht werden. Diese Objekte können uns helfen zu verstehen, welche Bedingungen herrschten als das Planetensystem entstand. Die in ihnen enthaltene Menge von Gas, Staub und Eis spiegelt die Zustände bei der Entstehung des Sonnensystems in der protoplanetaren Scheibe [1] wider.

Wann haben sich das Wasser und das Eis des Planetensystems gebildet?
Die Sonne bildete sich vor 4,6 Milliarden Jahren, danach entstanden die Asteroiden, der Mars, der Mond, die Erde und die ältesten Mineralien (Abb. 2).

Stammen Wasser und Wassereis aus dem Interstellaren Medium, beispielsweise aus einer kalten Molekülwolke [1] vor der Entstehung der Sonne, oder bildeten sie sich im solaren Urnebel vor rund 5-7 Milliarden Jahren?

Abb. 2 Schematische Darstellung der Entstehung des Sonnensystems
aus einem Urnebel. Von links nach rechts verdichtet sich der Urnebel
zu einer protoplanetaren Scheibe, aus der später ein Zentralstern und
Planeten entstehen können.  © Danika Dwyer

Zur Klärung dieser wichtigen Frage untersuchte eine Forschergruppe um Ilsedore Cleeves die Häufigkeit von Deuterium [2]. Deuterium (2H oder D)ist ein Isotop des Wasserstoffs und wird auch als schwerer Wasserstoff bezeichnet. Deuterium entstand bereits vor rund 13,7 Milliarden Jahren, kurz nach dem Urknall. Jedoch ist das Element recht selten: unter einer Millionen Wasserstoffatome im Universum findet man lediglich 26 Deuteriumatome.

Auf der Erde und anderen Körpern des Sonnensystems – wie den Planeten, Kometen, Wasser auf der Erde, dem Mars und Mineralien in Kometen - kommt Wasser mit Deuterium (als Baustein) häufiger vor als Wasser mit Wasserstoff (Abb. 3), wenn man die heutige Häufigkeit mit der des solaren Urnebels vergleicht. Die Ursache hierfür liegt in den Bedingungen bei der Entstehung des Moleküls.

Abb. 3 Vergleich des Aufbaus von „normalem“ Wasser (H2O, links)
gegenüber „schwerem“ Wasser“ (D2O, rechts).

Die Bedingungen für dieses Ungleichgewicht im Weltraum erfordern jedoch niedrige Temperaturen, die nur geringfügig oberhalb des absoluten Nullpunktes [1] liegen, die Anwesenheit von Sauerstoff und Strahlung, die Atome ionisieren [1] kann, beispielsweise kosmische Strahlung [1]. Derartige Bedingungen existieren im Interstellaren Medium (ISM). Tatsächlich hat man bereits mit Deuterium angereichertes Wasser im ISM beobachtet.

Zur Klärung der Frage, ob interstellares Wasser bei der Entstehung eines Sternes aus einem Urnebel überleben kann, simulierten die Forscher [2] die chemischen Prozesse, die Wasser in der protoplanetaren Scheibe erzeugen können.

Die Ergebnisse: das Magnetfeld des (gerade entstandenen) jungen Sternes schirmt (im Modell) die zur Bildung von Wasser notwendige kosmische Strahlung ab; dabei reicht die vom Stern ausgesandte Röntgenstrahlung nicht aus, um schweres Wasser schnell genug zu erzeugen. Das bedeutet, nach der Entstehung der Sonne aus der protoplanetaren Scheibe konnte sich schweres Wasser für mehr als eine Million Jahre nicht bilden [2].

Schlussfolgerung dieser Ergebnisse:
Die Forschungsergebnisse [2] weisen darauf hin, dass mehr als die Hälfte des Wassers im Sonnensystem aus einer Ära stammt, bevor die Sonne sich gebildet hatte: Vor der Entstehung der Sonne existierte eine riesige präsolare Urwolke aus Staub und Gas. Große Menge von Wasser existieren jedoch seit mindestens 4,6 Milliarden Jahren. Bezogen auf die Erde stammen 30-50 % aus dieser Ära, in Kometen beträgt die Menge wahrscheinlich sogar 60-100 %.

Falls sich in einer derartigen Urwolke Wasser bilden kann – noch bevor Sterne daraus geboren werden – bzw. Wasser die Entstehung eines Zentralsterns überlebt, verbleibt es anschließend in den Vorläufern der Planetenbildung, den sog. Planetesimals [1].
Dabei gelangten große Menge Wasser wahrscheinlich durch den Einschlag von Kometen und Asteroiden während der Frühphase der Entwicklung der Erde auf unseren Planeten.

Das bedeutet, Wasser, die grundlegende Zutat für die Entstehung des uns bekannten Lebens, kann prinzipiell überall gefunden werden, insbesondere in jungen Planetensystemen. Je größer die Zahl der gefundenen extrasolaren Planeten wird, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass dort Wasser existiert.

Daran sollten wir denken, wenn wir das nächste Mal ein Glas Wasser trinken.

Falls Sie Fragen und Anregungen zu diesem Thema haben, schreiben Sie uns unter kontakt@ig-hutzi-spechtler.eu

Ihre
IG Hutzi Spechtler – Yasmin A. Walter

Quellenangaben:

[1] Mehr Information über Objekte des Sonnensystems und astronomische Begriffe
www.wikipedia.de

[2] Cleeves, L. I., et al., Science 345, 1590-1593 (2014)

[3] Albertsson, T., et al., ApJ 784 (2014)

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