Von der „dicken Suppe“ zum „klaren Bach“: Zirkon treibt die Süßwasserbildung um 800 Millionen Jahre voran?

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Wasser ist etwas, das jeder kennt. Wir können in unserem täglichen Leben nicht ohne sie leben. Aber ich frage mich, ob Sie schon einmal über diese Frage nachgedacht haben: Das Wasser auf der frühen Erde war mit verschiedenen Schwermetallen, Mineralien und gelösten Gasen vermischt, was sich völlig von dem heutigen Süßwasser unterschied. Wann wurde dieser Topf mit „dicker Suppe“ „leicht“?

Bevor wir diese Frage beantworten, müssen wir verstehen, was der Wasserkreislauf ist.

Der Wasserkreislauf bezeichnet den kontinuierlichen zyklischen Bewegungsprozess (den Prozess der kontinuierlichen Umwandlung der Wasserphase) verschiedener Wasserformen auf der Erde durch Verdunstung, Wasserdampftransport, Kondensation und Niederschlag, Infiltration und Abfluss unter dem Einfluss von Sonneneinstrahlung, Erdanziehungskraft usw. Der Wasserkreislauf umfasst im Wesentlichen die folgenden Kategorien: den See-Land-Kreislauf, den Landkreislauf und den Meereskreislauf.

Unter Land-Meer-Zirkulation versteht man die Verdunstung von Meerwasser zu Wasserdampf, der in die Atmosphäre gelangt. Der Wasserdampf bewegt sich mit der Luftströmung, kühlt ab und kondensiert an Land als Niederschlag, und der Niederschlag bildet Oberflächenabfluss und Grundwasser, das zurück in den Ozean fließt. Die interne Zirkulation an Land und die interne Zirkulation auf See unterscheiden sich von der Zirkulation zwischen Land und Meer. Der interne Landkreislauf ist der Prozess, bei dem Niederschlag direkt an Land verdunstet oder von Pflanzen transpiriert wird und in die Atmosphäre zurückkehrt, ohne dass der Ozean direkt daran beteiligt ist. Die marine innere Zirkulation ist der Prozess der Verdunstung und Kondensation von Wasserdampf, der ausschließlich auf dem Ozean stattfindet.

Der Wasserkreislauf sorgt für den globalen Wasserhaushalt und gewährleistet die kontinuierliche Verfügbarkeit der Wasserressourcen. Gleichzeitig können dadurch die Süßwasserressourcen an Land erneuert und aufgefüllt werden, sodass sie zu erneuerbaren Ressourcen werden. Darüber hinaus kann es den globalen Wärmehaushalt regulieren und durch den Phasenwechsel des Wassers (Verdunstung nimmt Wärme auf, Kondensation gibt Wärme ab) das Klima beeinflussen. Darüber hinaus kann es auch die Oberflächenmorphologie beeinflussen, beispielsweise durch eine Veränderung der Topographie durch Erosion, Transport und Sedimentation.

Die Erde befindet sich seit dem Auftreten des Wassers in einem solchen Kreislauf. Dabei dringt das Grundwasser tief in die Erdkruste ein und ist an der Magmabildung beteiligt. Daher bleiben die Isotopeninformationen des Wassers in den Mineralien erhalten, die durch die Abkühlung und Kristallisation von Magma entstehen. Kürzlich haben Wissenschaftler durch die Analyse des Sauerstoffisotopenverhältnisses in alten Zirkonen auf den Zeitpunkt geschlossen, wann Süßwasser auf der Erde erschien.

Zirkon ist ein häufig vorkommendes Mineral, das im Allgemeinen als Nebenprodukt der Abkühlung vulkanischen Magmas entsteht. Aufgrund seiner extrem hohen Hitzebeständigkeit und chemischen Stabilität kann Zirkon extreme geologische Bedingungen überstehen, ohne zerstört zu werden. Daher wird es von Wissenschaftlern oft als eine Art „Festplatte“ betrachtet, auf der chemische Informationen wie etwa die Isotopenverhältnisse der frühen Erde gespeichert sind, die wiederum wichtige Informationen über die innere Struktur der Erde, die Krustenbildung und die Umweltbedingungen enthalten.

Wie also zeichnet Zirkon Informationen über die Entstehung von Süßwasser auf der Erde auf?

Sauerstoff hat drei stabile Isotope (16O, 17O und 18O). Die Atommasse von 18O ist größer als die der beiden anderen Sauerstoffisotope, wodurch es schwerer ist und beim Verdampfen eher in flüssigem Wasser verbleibt, während das leichtere 16O eher aufsteigt und in den Wasserdampf übergeht. Während des Verdampfungsprozesses ist der 16O-Gehalt im Wasserdampf höher als im ursprünglichen Wasserkörper, und dementsprechend ist auch der Anteil von 18O im ursprünglichen Wasserkörper höher als zuvor. Dieser Vorgang wird Isotopenfraktionierung genannt. Wenn das Wasser durch Regenfälle in den Boden zurückkehrt und schließlich in den Ozean fließt, kondensiert 18O bevorzugt, wenn sich der Wasserdampf bewegt und abkühlt, und fällt in den Ozean. Der verbleibende Wasserdampf enthält zunehmend höhere 16O-Konzentrationen. Dies führt zu einem steigenden 18O-Gehalt im Ozean und einem noch höheren 16O-Gehalt im Niederschlag weit entfernt vom Ozean.

Wenn das im Zirkon aufgezeichnete Sauerstoffisotopenverhältnis ähnliche Eigenschaften wie heutiges Süßwasser aufweist, bedeutet dies, dass zu dieser Zeit möglicherweise ein dem heutigen ähnliches Süßwasserkreislaufsystem existierte.

Dieses Forschungsergebnis könnte das Auftreten von Süßwasser auf der Erde um mindestens 800 Millionen Jahre zurückverfolgen, also deutlich früher als der bislang angenommene Zeitpunkt von vor etwa 3,2 Milliarden Jahren. Dies bedeutet, dass Land und Süßwasser vor etwa 4 Milliarden Jahren auf der Erde erschienen sein könnten.

Diese Entdeckung stellt unser Verständnis der Evolution der frühen Umwelt auf der Erde in Frage und korrigiert es. Dieses Ergebnis bietet eine neue Perspektive und einen neuen Maßstab für die Erforschung der Frage, ob auf anderen Planeten oder Satelliten geeignete Bedingungen für Leben existieren oder existiert haben, und hilft uns bei der Strategiefindung für die Suche nach außerirdischem Leben im Universum. Darüber hinaus wird auch die Bedeutung langfristiger Wasserkreislaufprozesse in der Erdsystemwissenschaft hervorgehoben und ein tieferer Kontext für das Verständnis des Klimawandels und die Vorhersage künftiger Trends bei den Wasserressourcen geschaffen.

Dieser Artikel ist eine Arbeit, die vom Science Popularization China Creation Cultivation Program unterstützt wird. Autor: Dong Hanwen

Gutachter: Xiao Long, Professor der China University of Geosciences

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.