Der Ursprung des Wassers der Erde ist ein großes Puzzlestück in der Erdgeschichte. Kam es von Kometen und Asteroiden? Von wasserführendem Weltraumstaub? Die wissenschaftliche Debatte ist nicht beigelegt.
Nun zeigt eine neue Studie, dass Wasser durch organische Stoffe auf die Erde gelangt sein könnte.
Die prominentesten Beweise zeigen, dass die Erde ihr Wasser von Kometen und Asteroiden erhielt. Unser Sonnensystem hat eine sogenannte „Schneelinie“ oder ein „ Frostlinie “ irgendwo zwischen Mars und Jupiter. Jenseits der Schneegrenze ist die Sonnenenergie schwächer und Eis kann aufgrund der niedrigen Temperaturen kondensieren. Nach dieser Denkweise könnten eisige Kometen und Meteore von jenseits der Frostgrenze dieses Eis über einen langen Zeitraum zur Erde getragen haben und die Erde in eine feuchte Welt verwandeln.
Jenseits der Frostgrenze in unserem Sonnensystem ist die Energie der Sonne so schwach, dass sich Wassereis bilden kann. Bildquelle: Institut für Astronomie der Universität von Hawaii
Eine andere Denkweise zeigt, dass das Wasser der Erde angekommen sein könnte über Weltraumstaub .
Diese Erklärung stützt sich auf Beweise der Dawn-Mission zum Asteroiden Vesta. Einer Studie zufolge könnten eisige Mikrometeoroiden der Erde ihr Wasser gebracht haben.
Beide Erklärungen beruhen darauf, dass Wasser von jenseits der Frostgrenze des Sonnensystems kommt und auf der Erde abgelagert wird. Aber diese neue Studie sagt, dass es innerhalb der Schneegrenze eine Wasserquelle gibt: organisches Material.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die interstellare organische Materie innerhalb der Schneegrenze eine potenzielle Wasserquelle auf der Erde ist.“
Akira Kouchi, Co-Autor der Studie, Universität Hokkaido
Das neue Papier trägt den Titel „ Präkometäre organische Substanz: Ein verstecktes Wasserreservoir innerhalb der Schneegrenze .“ Der Hauptautor ist Hideyuki Nakano vom Department of Science der Kyoto University of Education. Das Papier ist in der Zeitschrift Nature: Scientific Reports veröffentlicht.
Beispiel für eine Ansammlung heller Flecken auf dem Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko, die in der Region Khepry gefunden wurde. Es wird angenommen, dass die hellen Flecken Wasser-Eis-Belichtungen sind. Beweise wie diese unterstützen die Theorie der eisigen Kometen/Asteroiden-Wasserabgabe. Bildnachweis: ESA/Rosetta/MPS für OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA
„Bis jetzt wurde organischem Material im Vergleich zu Eis und Silikaten viel weniger Aufmerksamkeit geschenkt, obwohl es innerhalb der Schneegrenze eine Fülle gibt“, sagte der Co-Autor und Planetenwissenschaftler Akira Kouchi von der Universität Hokkaido.
Die Studie konzentriert sich auf „präkometäre organische Substanz“, die Überbleibsel von Kometenbildungsprozessen. Einige Beweise zeigen, dass diese Materialien im Weltraum reichlich vorhanden und allgegenwärtig sind. Die Rosetta-Mission der ESA besuchte den Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko und stellte fest, dass fast 50 % der Teilchen dieses Kometen waren organisch . Der Russe Vega 1-Mission zum Halleyschen Kometen führte zu ähnlichen Ergebnissen. Und Analysen von Staub von anderen Kometen, von interplanetarem Staub und von Mikrometeoriten zeigen, dass auch in diesen Quellen organische feuerfeste Körner reichlich vorhanden sind.
In ihrer Studie erstellten die Forscher ein Analogon von präkometärem interstellarem organischem Material. Dann benutzten sie ein Laborgerät namens a Diamantambosszelle um das Analog unter Druck zu erhitzen. Dieses Gerät simuliert die Hitze und den Druck in den Mutterkörpern von Meteoriten innerhalb der Frostlinie des Sonnensystems.
Ein verallgemeinertes Diagramm einer Diamantambosszelle. Eine Probe wird zwischen zwei Diamanten unter Druck gesetzt und dann mit Röntgenstrahlen oder Lasern erhitzt. Da Diamant für alle Lichtwellenlängen transparent ist, ist er das perfekte Material für den Amboss.
Bildquelle: Stansislav Sinogeikin
In diesem Experiment enthielt die analoge Mischung H2O, CO und NH3. Es wurde dann mit UV-Strahlen bestrahlt, „was seinen natürlichen synthetischen Prozess nachahmte“, so a Pressemitteilung . Das Analog wurde verschiedenen Temperaturen ausgesetzt, um zu sehen, wie es reagierte. Die experimentellen Temperaturen reichten von 24 °C bis 400 °C (75,2 °F bis 752 °F).
Die Probe war bis 100 °C einheitlich, aber bei 200 °C trennte sie sich in zwei Phasen. Bei etwa 350 C passierte noch etwas: Wassertröpfchen bildeten sich. Eine noch höhere Temperatur erzeugte größere Tröpfchen. Dann produzierte die Probe bei 400 °C, der höchsten Temperatur des Experiments, schwarzes Öl.
Fotografien des Experiments in-situ, als die Temperatur von 24 °C auf 400 °C erhöht wurde. A zeigt Luftblasen an und Qz zeigt Quarzkristalle an. Weiße Pfeile weisen auf hochviskose organische Stoffe hin. Die Maßstabsbalken repräsentieren 100 µm. Bildquelle: Nakano et al, 2020.
Die Gruppe führte weitere Experimente an Analoga mit leicht unterschiedlichen Bestandteilsverhältnissen durch, die andere Arten von präkometärem organischem Material widerspiegelten. Diese Experimente lieferten die gleichen Ergebnisse. Die Proben enthielten wässriges Wasser und Öl, wobei der Großteil davon Wasser war. Die Analyse zeigte auch, dass das Öl dem Rohöl der Erde ähnlich war.
Dieses Video zeigt das Erhitzen des Analogs. Das Video beginnt mit einer Temperatur von 300 °C und geht bis zu 352 °C.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die interstellare organische Materie innerhalb der Schneegrenze eine potenzielle Wasserquelle auf der Erde ist. Darüber hinaus deutet die von uns beobachtete abiotische Ölbildung auf umfangreichere Erdölquellen für die alte Erde hin als bisher angenommen“, sagt Akira Kouchi.
Nicht alle Experimente wurden mit einer Diamantambosszelle durchgeführt. Dies sind Vor- (L) und Nachher- (R) Bilder des Analogs, das in einem Autoklaven für fünf Stunden bei 400 °C und 14 MPa erhitzt wird. Das wässrige Produkt ist trüb und blass, die viskose rohölartige Substanz dick und dunkel. Bildquelle: Nakano et al, 2020.
Ein warnender Hinweis, auf den die Forscher hingewiesen haben, betrifft die Zeit. In ihren Experimenten begann sich Wasser bei 300 C (572 F) zu bilden. Aber das gilt nur auf der Zeitskala des Experiments. „Auf astrophysikalischen Zeitskalen“, schreiben sie in ihrer Arbeit, „sollte die Wasserbildungstemperatur unter 300°C liegen.“
„… die Wassermenge, die durch das Erhitzen tatsächlicher präkometärer/kometärer organischer Stoffe erzeugt wird, ist wahrscheinlich größer als die in den vorliegenden Experimenten erhaltene.“
Aus dem Papier „Präkometäre organische Substanz: Ein verstecktes Wasserreservoir innerhalb der Schneegrenze“
Die Forscher weisen auch darauf hin, dass sich kometäre organische Stoffe von ihrer gewählten analogen Probe unterscheiden können. „Wenn wir diese organischen Kometen mit dem in der vorliegenden Studie verwendeten Ausgangsmaterial vergleichen, wird deutlich, dass organische Kometen reich an O und N sind, was ihre primitive Natur zeigt“, schreiben sie. Aber es zeigt mehr als nur, wie primitiv sie sind. Es bedeutet noch mehr Wasser, als ihre Experimente produziert haben. „…wir erwarten, dass die Wassermenge, die durch das Erhitzen organischer Stoffe produziert wird, mit steigendem O-Gehalt wahrscheinlich zunehmen wird. Daher schlagen wir vor, dass die Wassermenge, die durch das Erhitzen tatsächlicher präkometärer/kometärer organischer Stoffe erzeugt wird, wahrscheinlich größer ist als die in den vorliegenden Experimenten erhaltene.“
Obwohl der eisige Komet/Asteroid die bekannteste Hypothese für den Ursprung des Wassers der Erde ist, ist sie nicht perfekt. Es gibt Löcher darin, insbesondere in Bezug auf die Beweise dafür, dass die frühe Erde eine stark reduzierte Umgebung .
Die Ergebnisse dieser Studie sind äußerst interessant. Aber dies sind nur Analoga der präkometären organischen Materie. Kouichi blickt auf den Dezember voraus, wenn Proben aus Ryugu sicher auf der Erde sein werden. „Zukünftige Analysen von organischem Material in Proben des Asteroiden Ryugu, die der japanische Asteroidenforscher Hayabusa2 noch in diesem Jahr mitbringen wird, sollten unser Verständnis der Herkunft von terrestrischem Wasser verbessern“, sagte Kouichi.
Künstlerische Darstellung der Hayabusa2, die Proben von der Oberfläche des Asteroiden Ryugu nimmt. Bildnachweis: Akihiro Ikeshita/JAXA
Derzeit befindet sich die japanische Raumsonde Hayabusa2 auf ihrer Weg zurück zur Erde , mit seinen wertvollen Proben vom Asteroiden Ryugu. Im Dezember 2020 wird es die Erde erreichen und die Proben an eifrige Wissenschaftler liefern. Und die NASA-Raumsonde OSIRIS-Rex befindet sich auf dem Asteroiden Bennu und bereitet sich darauf vor seine eigene Probe sammeln . Wenn alles gut geht, wird es seine Probe im September 2023 zur Erde zurückbringen.
Das Konzept dieses Künstlers zeigt die NASA-Raumsonde OSIRIS-REx, die auf den Asteroiden Bennu absteigt, um eine Probe der Oberfläche des Asteroiden zu sammeln. Das Probenahmeverfahren findet am 20. Oktober statt. Bildnachweis: NASA/Goddard/University of Arizona
Seien Sie auf eine Flut neuer Veröffentlichungen basierend auf beiden Beispielen und vielleicht auf eine Antwort auf diese zwingendste Frage vorbereitet.
Mehr:
- Pressemitteilung: Neue Erkenntnisse zum Ursprung des Wassers auf der Erde
- Forschungsbericht: Präkometäre organische Substanz: Ein verstecktes Wasserreservoir innerhalb der Schneegrenze
- Universum heute: Nicht das gesamte Wasser der Erde stammte von Kometen
