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Was ist das Wasserreservoir des Erdkerns?
In einer bahnbrechenden Entdeckung, die das grundlegende Verständnis der Wasserherkunft unseres Planeten herausfordert, zeigt neue Forschung in Nature Communications, dass der Erdkern Wasserstoff im Äquivalent von 9 bis 45 Ozeanen enthalten könnte, was ihn zum größten Wasserreservoir des Planeten machen würde. Dieser revolutionäre Befund, basierend auf hochentwickelten Laborexperimenten, die extreme Kernbedingungen simulieren, deutet darauf hin, dass Wasserstoff während der Erdentstehung vor 4,6 Milliarden Jahren in den Kern gelangte, nicht später durch Kometen.
Forschungsergebnis: Kern enthält massives Wasserstoffreservoir
Das internationale Team unter Leitung von ETH Zürich und Peking-Universität führte Experimente mit laserbeheizten Diamantstempelzellen durch, um extreme Kernbedingungen nachzubilden – Drücke bis 111 Gigapascal und Temperaturen bis 5.100 Kelvin. Ihr innovativer Ansatz kombinierte dies mit Atomsondentomographie, um detaillierte 3D-Karten auf atomarer Ebene zu erstellen.
'Der Erdkern enthielt die meiste Wasser in der ersten Million Jahre der Erdgeschichte,' erklärt Dongyang Huang, Co-Autor der Studie. 'Dies ändert grundlegend unser Verständnis, wie die Erde ihr Wasser erwarb.'
Wie Wissenschaftler den verborgenen Wasserstoff maßen
Das Team verwendete eine neuartige Methodik:
- Extremer Drucksimulation: Diamantstempelzellen zur Kompression von Eisenproben
- Hochtemperaturschmelzen: Lasererhitzung für schmelzflüssige Eisenbedingungen
- Elementzugabe: Einführung von Wasserstoff, Silizium und Sauerstoff
- Atomare Analyse: Atomsondentomographie zur Zählung und Kartierung einzelner Atome
Dies zeigte ein entscheidendes Ergebnis: Wasserstoff und Silizium erschienen in einem etwa 1:1-Molverhältnis. Da Siliziumgehalte im Kern bereits geschätzt wurden, ermöglichte dies die Berechnung des wahrscheinlichen Wasserstoffgehalts.
Implikationen für die Wasserherkunft der Erde
Die Ergebnisse stellen die langjährige Theorie in Frage, dass Erdenwasser hauptsächlich durch Kometenlieferung nach der Planetenbildung ankam. Stattdessen deutet die Forschung darauf hin, dass Wasserstoff während der Hauptphasen der planetaren Akkretion in den Kern eingebaut wurde.
Der geschätzte Wasserstoffgehalt – 0,07% bis 0,36% der Kernmasse – entspricht 9 bis 45 Mal dem Volumen aller Ozeane. Dieses massive verborgene Reservoir könnte über geologische Zeit aus dem Kern entweichen und mit Sauerstoff im Mantel reagieren, um Wasser zu bilden, das schließlich die Oberfläche erreichte.
Diese Entdeckung hat bedeutende Auswirkungen auf das Verständnis von Planetenbildungsprozessen und den Bedingungen für die Entstehung von Leben. Das Vorhandensein von erheblichem Wasserstoff im Erdkern von seinen frühesten Stadien an deutet darauf hin, dass Wasser auf terrestrischen Planeten häufiger sein könnte als bisher angenommen, mit wichtigen Konsequenzen für Exoplaneten-Bewohnbarkeitsforschung.
Wissenschaftliche Methodik: Überwindung jahrzehntelanger Unsicherheit
Jahrzehntelang kämpften Wissenschaftler mit der Quantifizierung von Wasserstoff im Erdkern aufgrund mehrerer Herausforderungen:
| Herausforderung | Frühere Ansätze | Neue Lösung |
|---|---|---|
| Direkte Beobachtung | Unmöglich – Kern ist 2.900 km tief | Laborsimulation extremer Bedingungen |
| Messgenauigkeit | Indirekte Methoden mit großer Varianz | Direkte Atomzählung via Atomsondentomographie |
| Drucksimulation | Begrenzt auf niedrigere Drücke | Diamantstempelzellen bis 111 GPa |
Der Durchbruch kam durch die Fähigkeit, Proben dünn genug für atomare Analyse zu erstellen – etwa 20 Nanometer breit. Diese nadelförmigen Proben ermöglichten die Anwendung hoher Spannung für präzise Messungen.
Breitere wissenschaftliche Auswirkungen
Über die Neuschreibung der Wasserherkunftsgeschichte hinaus hat diese Entdeckung mehrere wichtige Implikationen:
- Planetenbildungsmodelle: Terrestrische Planeten könnten während der Akkretion signifikantes Wasser erwerben
- Kern-Mantel-Wechselwirkungen: Wasserstoffentweichung könnte Manteldynamik und Vulkanismus beeinflussen
- Magnetfelderzeugung: Wasserstoffgehalt könnte Konvektion im äußeren Kern beeinflussen
- Geochemische Zyklen: Bietet neues Verständnis von tiefem Erdwasser- und Wasserstoffzyklen
Die Forschung bietet auch Einblicke in frühe Atmosphärenentwicklung der Erde und die Bedingungen, die unseren Planeten bewohnbar machten. Wie Huang bemerkt, 'Das Verständnis der Wärmeabgabe aus dem Kern ist wesentlich für die Entwicklung der Erde zu einem bewohnbaren Ort.'
Einschränkungen und zukünftige Forschungsrichtungen
Während bahnbrechend, erkennen die Forscher Einschränkungen an. Kein Modell kann alle möglichen chemischen Wechselwirkungen tief in der Erde berücksichtigen, und Unsicherheiten über den genauen Siliziumgehalt im Kern bleiben. Zukünftige Forschung muss:
- Schätzungen von Silizium und anderen leichten Elementen im Kern verfeinern
- Wasserstoffverhalten unter noch extremeren Bedingungen untersuchen
- Studieren, wie Wasserstoff über geologische Zeit vom Kern zum Mantel wandern könnte
- Ähnliche Methodologien auf andere Planetenkerne anwenden
Das Team betont, dass ihre Ergebnisse einen bedeutenden Schritt vorwärts darstellen und neue Wege für Geophysikforschung und Planetenwissenschaft eröffnen.
Häufig gestellte Fragen
Wie viel Wasser ist laut der neuen Studie im Erdkern?
Die Forschung schätzt, dass der Erdkern Wasserstoff im Äquivalent von 9-45 Mal dem Volumen aller Ozeane enthält, was 0,07-0,36% der Kernmasse entspricht.
Bedeutet dies, dass der Erdkern flüssiges Wasser enthält?
Nein – der Kern enthält Wasserstoffatome, die in Eisenlegierungen gebunden sind, nicht flüssiges Wasser. Dieser Wasserstoff könnte über geologische Zeit mit Sauerstoff reagiert haben, um Wasser zu bilden.
Wie ändert dies Theorien über die Wasserherkunft der Erde?
Es stellt die Kometenlieferungstheorie in Frage und deutet stattdessen darauf hin, dass der meiste Wasserstoff während der Erdentstehung vorhanden war und im Kern gespeichert wurde, der über Milliarden Jahre allmählich entwich.
Welche Technologie ermöglichte diese Entdeckung?
Laserbeheizte Diamantstempelzellen zur Simulation extremer Kernbedingungen kombiniert mit Atomsondentomographie für atomare Analyse der Elementverteilung.
Könnte diese Entdeckung helfen, Wasser auf anderen Planeten zu finden?
Ja – sie deutet darauf hin, dass terrestrische Planeten während der Bildung häufig Wasser erwerben könnten, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, Wasser auf Exoplaneten mit ähnlichen Entstehungsgeschichten zu finden.
Quellen
Nature Communications Studie: Wasserstoffgehalt im Erdkern
