Woher kommt das Wasser der Erde? Die neuesten wissenschaftlichen Forschungsergebnisse meines Landes liefern neue Ideen zum Verständnis der Evolution des Lebens

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Woher kommt das Wasser auf der Erde? Zu diesem Thema gibt es viele unterschiedliche Meinungen. Die Lösung dieses Rätsels ist von entscheidender Bedeutung, um zu verstehen, wie Leben entstand und wie sich die innere Dynamik der Erde im Laufe der Zeit entwickelte.

Kürzlich entdeckten Dr. Li Hanfei, Associate Professor Dong Xiao und ihre Mitarbeiter von der School of Physical Science der Nankai-Universität zwei neue hydratisierte Magnesiumsilikatstrukturen (Mg2SiO5H2), die als Speichermedium für Wasser in der frühen Erde dienen können. Nach der Kern-Mantel-Trennung wurde eine große Menge Wasser freigesetzt. Dies liefert neue Erkenntnisse zur Entstehung der Ozeane auf der frühen Erde. Der zugehörige Artikel wurde am 21. Januar in der Physikzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

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Der Ursprung des Wassers auf der Erde bleibt umstritten

Derzeit gibt es zwei Ansichten über den Ursprung des Wassers: Die eine ist die „Höllenursprungstheorie“, die besagt, dass Wasser aus den Tiefen der Erde kommt, d. h., die Erde hat während der Akkretionsperiode eine große Menge Wasser aufgenommen und in ihrem Inneren gespeichert; die andere ist die „Theorie des Himmelsanfangs“, die besagt, dass nach der Entstehung der Erde der Bombardement wasserreicher Meteoriten für große Mengen Wasser sorgte.

Wann erschien das Wasser? Es gibt auch Kontroversen. Einmal fanden Wissenschaftler bei der Analyse von Meteoriten vor etwa 4,5 Milliarden Jahren Spuren von Wasser, was darauf hindeutet, dass es zu Beginn der Erde möglicherweise Wasser gegeben hat.

Der Ozean bedeckt 71 % der Erdoberfläche und macht die Erde zu einem wahren „Wasserball“ und lebendigen Planeten.

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In letzter Zeit stützen immer mehr Beweise die erste Hypothese. Das Verhältnis von Deuterium zu Wasserstoff gilt als Fingerabdruck der Herkunft des Wassers und eine Entdeckung deutet darauf hin, dass das Deuterium-Wasserstoff-Verhältnis im tiefen Erdmantel sehr niedrig ist, nahe an dem in Enstatit-Chondriten, den Grundbausteinen der frühen Erde, und in der primitiven Sonnennebel, und viel niedriger als in Materialien des äußeren Sonnensystems wie etwa Kometen. Dies liefert starke Beweise für die Annahme, dass das Wasser im Erdinneren direkt aus dem protosolaren Nebel stammen könnte.

Dong Xiao erklärte: „Das Deuterium-Wasserstoff-Verhältnis gilt als Zeichen für die Herkunft des Wassers. Durch die ‚Entzündung‘ der Sonne und die darauffolgende Einwirkung des Sonnenwindes unterscheidet sich das Deuterium-Wasserstoff-Verhältnis im äußeren Sonnensystem von dem im ursprünglichen Sonnennebel. Das Deuterium-Wasserstoff-Verhältnis der Erde ist dasselbe wie im ursprünglichen Sonnennebel, unterscheidet sich jedoch von dem im äußeren Sonnensystem. Dies ist ein starker Beweis dafür, dass das Wasser auf der Erde nicht ‚außerirdisch‘ ist.“

Allerdings sind mit dieser Hypothese erhebliche Probleme verbunden. Im Vergleich zu anderen Planetenmaterialien wie Eisen und Silikaten hat Wasser einen viel niedrigeren Schmelz- und Siedepunkt, sodass auf der Tausende von Grad heißen Oberfläche der neugeborenen Erde Wasser in den Weltraum verdunstet wäre. Daraus können wir ersehen, dass Wasser nur tief im Inneren der neugeborenen Erde existieren kann und freigesetzt wird, wenn sich die neugeborene Erde bis zu einem gewissen Grad entwickelt. In welcher Form die Materie dabei gespeichert wird, ist allerdings noch unklar.

Entdeckung eines neuen stabilen wasserhaltigen Minerals

Durch Berechnungen nach dem Grundprinzip und Methoden zur Strukturvorhersage entdeckte das Forschungsteam, dass unter Bedingungen von Millionen von Atmosphären zwei neue, noch unentdeckte stabile hydratisierte Magnesiumsilikatstrukturen auftreten, und nannte sie α-Phase und β-Phase. Darunter liegt der stabile Druckbereich der α-Phase bei 262–338 GPa und der stabile Bereich der β-Phase bei über 338 GPa. Heute beträgt der Druck an der Kern-Mantel-Grenze 136 GPa und der Druck im Erdmittelpunkt 364 GPa. Der Hauptunterschied zwischen den α-Phase- und β-Phase-Strukturen ist die unterschiedliche Anzahl von Sauerstoffatomen um die Magnesiumionen.

Bildquelle: „Nankai Physics“ (Offizieller öffentlicher WeChat-Account der Fakultät für Physik der Nankai-Universität)

Berechnungen nach dem ersten Prinzip zeigen, dass hydratisiertes Magnesiumsilikat bei einem Druck von 300 GPa eine sehr hohe Dichte und einen extrem hohen Wassergehalt aufweist. Es enthält 11,4 Gewichtsprozent Wasser, was höher ist als der Wassergehalt der meisten anderen bekannten Hydroxidmineralien.

„Theoretische Berechnungen zeigen, dass dieses hydratisierte Magnesiumsilikat weitaus hitzebeständiger ist als andere hydratisierte Mineralien und selbst bei einer hohen Temperatur von 8.000 Kelvin keine Anzeichen von Zersetzung oder Schmelzen zeigt“, sagte Dong.

Bildquelle: „Nankai Physics“ (Offizieller öffentlicher WeChat-Account der Fakultät für Physik der Nankai-Universität)

Da sich in der frühen Erde Kern und Mantel noch nicht getrennt hatten, sind Silikate und überschüssiges Magnesiumoxid möglicherweise tief in das Erdinnere eingedrungen und haben dadurch einem weitaus höheren Druck standgehalten als heute. Wenn der Druck beispielsweise höher als 262 GPa ist, können sie Wasser in Form von hydratisiertem Magnesiumsilikat speichern.

Berechnungen zeigen, dass das Innere der frühen Erde unter idealen Bedingungen bis zu achtmal so viel Masse wie die heutigen Ozeane in Form von hydratisiertem Magnesiumsilikat speichern könnte.

Während die Kern-Mantel-Trennung fortschreitet, wächst der Eisenkernbereich allmählich, hebt dadurch die Silikate an und verringert den Druck auf sie, was das hydratisierte Magnesiumsilikat zur Zersetzung und Freisetzung von Wasser zwingt. Das freigesetzte Wasser gelangt durch komplexe geophysikalische und chemische Prozesse an die Oberfläche. Zu diesem Zeitpunkt war die Oberfläche bereits ausreichend abgekühlt, um die Existenz von flüssigem Wasser sicherzustellen und einen Urozean zu bilden.

Die Zersetzungsprodukte von hydratisiertem Magnesiumsilikat, Magnesiumsilikat und Magnesiumoxid, werden im unteren Erdmantel zurückgehalten und spielen auch heute noch eine wichtige Rolle.

„Die Entdeckung von hydratisiertem Magnesiumsilikat ist auch für das menschliche Verständnis der Stoffkreisläufe auf anderen terrestrischen Planeten, insbesondere Supererden, von großer Bedeutung.“ Dong Xiao sagte, dass diese Forschung die Lücke in der Existenzform von Materie in hydratisierten Silikatsystemen unter Drücken von Hunderten von Gigapascal schließe, eine neue Perspektive auf die Zirkulation von Wasser und leichten Elementen in der frühen Erde eröffne und das Verständnis der Menschen für die Existenz und Zirkulation von Materie während des Kern-Mantel-Trennungsprozesses vertiefe.

Der Schweizer Planetenforscher Ravit Helled kommentierte die Forschung wie folgt: „Der Ursprung des Wassers ist eine der wichtigsten offenen Fragen zur Entstehung unseres Planeten. Wir wissen noch immer nicht genau, wie viel Wasser sich heute tief im Inneren der Erde befindet. Wenn der Erdkern, wie von Dong Xiao und seinen Kollegen vorhergesagt, in der frühen Erde als Wasserspeicher fungieren konnte, dann werden ähnliche Wasserspeicherprozesse auch auf anderen terrestrischen Planeten stattfinden und deren Entwicklung beeinflussen.“

Der Ursprung und die Entwicklung des Lebens sind untrennbar mit Wasser verbunden.

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Weiterführende Literatur:

Die vierte Form von Wasser auf der Erde

Der Großteil des Wassers auf der Erde kommt nicht in den drei uns bekannten Formen Eis, Wasser und Gas vor. Wasser existiert in einer anderen, ungewöhnlicheren Form: in Felsen eingeschlossenes Wasser.

Man kann sagen, dass diese Gesteine ​​einem riesigen Reservoir gleichen, das mindestens so viel Wasser enthält wie alle Flüsse, Ozeane und Gletscher der Erde zusammen, vielleicht sogar das Vier-, Sechs- oder Zehnfache der Wassermenge im Ozean. Aber sie liegen 410 Kilometer unter unseren Füßen begraben.

Diese seltsame „vierte Form“ von Wasser könnte in Ihrer Küche versteckt sein. Wenn der grüne Steinherd in Ihrer Küche aus Serpentin besteht und man davon ausgeht, dass eine Serpentin-Herdplatte etwa 90 Kilogramm wiegt, dann sind etwa 10 Kilogramm dieses Steins Wasser, das heißt, es können 10 Liter Wasser im Stein gelöst sein. Allerdings ist diese Fusion nicht dasselbe wie das Verrühren von Eiern zu einem dünnen Teig. Stattdessen ist das Wasser in jedes Molekül des Minerals eingeschmolzen und in die Gitterstruktur aus Magnesium-, Silizium- und Sauerstoffatomen eingewickelt, aus denen Serpentin besteht. Fast alle Erze in einer Tiefe von 410 Kilometern sind auf diese Weise zu Wasser geschmolzen - unter der kombinierten Wirkung der Schwerkraft, die durch die Überlagerung von 410 Kilometern Gestein entsteht, und der hohen Temperatur von etwa 1093,33 Grad Celsius verlässt ein Wasserstoffatom das Wassermolekül und hinterlässt eine Hydroxylgruppe, und dieses Wasserstoffatom wird in das Erzmolekül integriert. Wissenschaftler nennen diese Art von in Wasser gelöstem Mineral „hydratisiertes Mineral“ oder „Wassergestein“.

Bildlich lässt es sich so erklären: Bei der richtigen Temperatur und dem richtigen Druck nehmen bestimmte Mineralien Wasser in ihre Molekularstruktur auf, genau wie ein Schwamm Wasser aufsaugt. Wenn Wassermoleküle in das Erz eindringen, zersetzen sie sich in ein Wasserstoffatom und eine Hydroxylgruppe. Es ist also definitiv Wasser im Erz.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass dieses Wassergestein in einer Tiefe von 400 bis 650 Kilometern unter der Erde verteilt ist und eine Dicke von bis zu 240 Kilometern aufweist, was dicker ist als die Wasserschicht auf der Erdoberfläche. Auch wenn der Wassergehalt dieses Erzes nur 1 % beträgt, ist die Wassermenge enorm und entspricht tatsächlich einem Vielfachen der Wassermenge in den Ozeanen der Erde.

Es gibt noch immer viele ungelöste Rätsel über die Beziehung zwischen Wasser und Leben, die darauf warten, von Wissenschaftlern weiter erforscht zu werden.

Link zum Artikel:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.035703

Umfassende Quellen: Science and Technology Daily, Xinhuanet, Nankai University of Physics, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences usw.