Die Meere kamen aus dem All

Lange galten Kometen als der kosmische Ursprung des irdischen Wassers. Nun haben Astronomen noch eine andere Quelle des Lebenselixiers ausgemacht: den Planetoidengürtel. Die frühe Erde war ein schauriger Ort. Gutflüssiges Magma bedeckte den gesamten Planeten. Nur hier und da trieben kleine Inseln wie Eisberge auf dem steinernen Meer. Nach und nach wuchsen diese Krustenstücke zusammen. Teilweise ähnelte die Szenerie dem heutigen Mond: dunkle Landschaften aus Basaltgestein, übersät mit zahllosen Kratern. Denn Einschläge ließen den jungen Planeten nicht zur Ruhe kommen. Vor rund 3,9 Milliarden Jahren nahm der Beschuss durch die Planetoiden und Kometen ab und das früheste Erdzeitalter endete, das Hadaikum. Benannt ist es nach der Unterwelt, dem Hades der griechischen Mythologie. Aus dem Hadaikum haben fast keine Zeugnisse den Mahlstrom der Zeit überdauert. Was dem kosmischen Bombardement entging, radierten Plattentektonik und Erosion aus. Trotzdem ist klar: Die Erdgeburt war eine hitzige Angelegenheit, denn radioaktive Elemente heizten die ersten Himmelskörper auf, als sie sich bei immer heftigeren Kollisionen zusammenfügten. Doch mehr und mehr Wärme ging ins All verloren, die junge Sonne strahlte zudem schwächer als heute. Als schließlich die Temperaturen den Siedepunkt unterschritten, fiel erstmals Regen vom Himmel. Denn aus dem Gestein der irdischen Mondlandschaften waren Gase ausgetreten und eine Atmosphäre hatte sich gebildet. Ein wichtiger Bestandteil von ihr war Wasserdampf. Die Regenzeit währte wohl Jahrtausende. Flüsse ergossen sich in Seen, die sich zu Meeren vereinigten. Die erste Sintflut So plausibel dieses Szenario erscheint – wichtige Fragen bleiben darin unbeantwortet. Ein zentrales Problem der aktuellen Forschung lautet: Woher stammt all das Wasser, das den blauen Planeten bis heute prägt und das die Grundlage für die Entwicklung des Lebens war? Was waren die Quellen dieser ersten Sintflut? Wissenschaftler rechnen vor, dass heute 0,05 Prozent der Erdmasse Wasser sind. Das klingt wenig, doch es geht um gewaltige Mengen, die eine Erklärung verlangen. Die Erde ist der wasserreichste Planet im inneren Sonnensystem, erst mit großem Abstand folgt der Mars. Denn nicht nur die Ozeane enthalten das nasse Element, auch in der Erdkruste und im Erdmantel darunter ist es gespeichert. Nach Schätzungen von Forschern der Universität Tokio enthielt das Mantelgestein der frühen Erde bis zu 50 Mal so viel Wasser wie die gegenwärtigen Meere. Heute, rund 4,5 Milliarden Jahre später, suchen die Forscher nach Hinweisen darauf, wie einst das Wasser zu uns gelangte. Eine wichtige Spur führt in den Planetoidengürtel zwischen Mars und Jupiter. Dort kreisen immer noch Relikte des planetaren Geburtsprozesses – vom kleineren Felsblock bis zum Mini-Planeten. Rund eine halbe Million solcher Trümmer sind mittlerweile bekannt (siehe bdw 3/ 2008, „Vagabunden im Sonnensystem”). Wassereis Auf Planetoiden Im Frühsommer berichteten zwei Forschergruppen im Fachblatt Nature erstmals über eine dünne Schicht aus Wassereis auf der Oberfläche eines solchen Planetoiden. Die beiden Autoren-Teams hatten das Sonnenlicht gemessen, das der Kleinplanet Themis reflektiert. Er gehört mit knapp 200 Kilometer Durchmesser zu den größten Exemplaren des Gürtels. Dabei entdeckten die Astronomen den spektralen Fingerabdruck von Wassereis in infraroten Wellenlängen. Ein solcher Nachweis geschieht durch den Vergleich mit Spektren von Proben, die im Labor analysiert wurden und deren Zusammensetzung bekannt ist. Die beste Übereinstimmung ergab sich bei mineralischen Staubkörnern kombiniert mit Wassereis. Die Staubkörner waren von einer hauchdünnen Eisschicht von höchstens 0,0001 Millimeter Dicke bedeckt. Trotzdem überraschte der Fund, denn er zeigte, dass Eis auf dem Planetoiden offenbar verbreitet ist. Themis rotiert in etwa acht Stunden um seine Achse. Deshalb zeigt er uns verschiedene Seiten, und so konnten Humberto Campins von der University of Florida und seine Kollegen Infrarot-Spektren von vier Punkten der Oberfläche aufzeichnen. Überall fanden sie Indizien für Wassereis. Zwar hatten andere Forscher bereits früher den Nachweis wasserhaltiger Mineralien als Indiz für einstiges Wasser auf Planetoiden gedeutet, doch die Kleinkörper galten als weitgehend ausgetrocknet. Eisiger Fingerabdruck Bei den Temperaturen im Planetoidengürtel sollte Eis eigentlich rasch sublimieren. Wie konnten die H2O-Moleküle auf Themis also Milliarden Jahre überdauern? Die Autoren der Nature-Artikel spekulieren, dass sich einige Meter unter der Oberfläche eishaltige Bodenschichten verbergen. Aus ihnen gast ständig Wasser nach oben aus, das sich dann wieder als Eis niederschlägt. Tatsächlich belegten kürzlich Rechnungen des österreichischen Astronomen Norbert Schörghofer, dass Eis auf Planetoiden auch in geringer Tiefe sehr lange überdauern kann. Voraussetzung ist eine meterdicke isolierende Staubschicht an der Oberfläche. Doch der entscheidende Einwand gegen das Bild der trockenen Planetoiden kam schon 2006: Damals meldeten US-Forscher die Beobachtung von Planetoiden, die ähnlich wie Kometen einen Schweif entwickeln. „ Der Verdacht lag nahe, dass auch bei diesen Objekten die Schweifbildung durch sublimierendes Wassereis geschieht”, sagt Hermann Böhnhardt vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung bei Göttingen. Da einige dieser schweiftragenden Kleinplaneten ähnliche Umlaufbahnen wie Themis haben, vermuten die Forscher, dass es sich um die Fragmente eines größeren, Wassereis haltigen Planetoiden handeln könnte. Die Indizien mehren sich also, dass Eis im Planetoidengürtel verbreiteter ist als bislang angenommen. Lange hatten die Planetologen auf andere Verdächtige als Wasserbringer getippt: die Kometen (siehe bild der wissenschaft 12/2007, „Das neue Bild der Kometen”). Wenn sich diese aus den äußeren Regionen des Sonnensystems der wärmenden Sonne nähern, stoßen sie den besagten Schweif aus Gas und Staub aus. Dass die Schweifsterne Eis besitzen, steht heute außer Frage. „Kometen enthalten viel Wassereis. Sowohl mit Raumsonden als auch mit Beobachtungen vom Boden aus wurde das zweifels- frei nachgewiesen” , sagt Kometen-Experte Böhnhardt. Die urzeitliche Wasserlieferung durch Kometen schien also plausibel. Denn im inneren Sonnensystem, wo sich die Erde bildete, war es sehr heiß. Für viele Forscher ist es schwer vorstellbar, wie sich die Wassermoleküle mit dem mineralischen Staub zusammengefügt haben sollen. Die „Planetesimale”, die dort entstanden, enthielten wohl nur wenig Wasser. Der Fachausdruck bezeichnet mindestens kilometergroße Brocken, aus denen nach und nach Planeten heranwuchsen, darunter auch die Erde. Wenn es vor Ort also zu trocken war, so das Argument, muss unser Wasser von weiter draußen stammen. Dort war es kalt genug für den Einbau von Eis in die ersten Himmelskörper. Noch heute besitzen neben den Kometen auch viele Monde in den äußeren Regionen des Sonnensystems reichlich Wassereis. Die Kometen-Theorie hat bis heute viele Befürworter. So konkretisierte beispielsweise Francis Albarede von der Université Lyon kürzlich in Nature die zeitliche Abfolge. Glaubt man diesem Szenario, so kam das Wasser erst spät, rund 100 Millionen Jahre nach Beginn der Erdentstehung, als vermehrt Körper „von jenseits des Planetoidengürtels” einschlugen. Nach dieser Vorstellung erbte die Erde, die ansonsten zu diesem Zeitpunkt kaum noch an Masse zulegte, das Wasser von Kometen. Es bildete sich eine oberflächliche Deckschicht aus flüchtigen („volatilen”) Stoffen, die ebenso wie Wasser bei niedrigen Temperaturen verdampfen. Doch die Kometen-Verfechter haben bislang keine überzeugende Antwort auf die Frage: Warum sind das irdische Wasser und das Kometen-Eis chemisch so unterschiedlich? Hauptsächlich ist Wasser zwar das aus dem Chemieunterricht bekannte H2O. Doch es kann auch schweren Wasserstoff enthalten, das Deuterium (D). Der Anteil des Deuteriums im Wasser wird mit dem D/H-Wert beschrieben (siehe Kasten „Fahndung nach Deuterium”). Mittlerweile haben die Astronomen diesen Wert bei vier Kometen gemessen. Die Übereinstimmung mit irdischem Wasser ist mäßig: Alle Messdaten liegen etwa um den Faktor 2 zu hoch. „Kometen können nicht die einzige Wasserquelle der Erde gewesen sein”, schließt Böhnhardt. Verräterisches Silber Maria Schönbächler von der University of Manchester geht noch weiter: „Sehr wahrscheinlich war das Wasser schon bei der Erdgeburt dabei”, meint die Forscherin, die zusammen mit US-Kollegen im Mai ihre Resultate im amerikanischen Fachblatt Science vorstellte. Die Schweizer Geologin hatte zahlreiche Gesteinsproben aus Vulkangebieten der Erde untersucht. Bestimmte Isotopen-Verhältnisse darin gelten als Relikte aus der Entstehungsphase des Erdmantels. Besonders interessierte sich Maria Schönbächler für Silber-Isotope. Dabei stach ein auffälliger Befund hervor: „Die Isotopen-Profile des Silbers aus dem Erdmantel sind fast identisch mit einer bestimmten Klasse von Meteoriten, die für den besonders hohen Gehalt an volatilen Substanzen bekannt sind, die Kohligen Chondriten”, erläutert Maria Schönbächler. Das Resultat irritierte zunächst. Denn die Erde ist im Hinblick auf andere Stoffe deutlich verarmt verglichen mit diesen Meteoriten. Der vermeintliche Widerspruch löst sich jedoch auf, wenn man annimmt, dass sich unser Heimatplanet aus unterschiedlichem Baumaterial formte. „Zunächst ballte sich die junge Erde aus volatilarmen Planetesimalen zusammen, die wahrscheinlich ihrerseits in Sonnennähe entstanden waren.” Bei solchen Kollisionen dürften über vier Fünftel der Erdmasse zusammengekommen sein. Die Schwerkraft des wachsenden Planeten reichte schließlich, um auch flüchtige Stoffe festzuhalten – günstige Voraussetzungen, denn der „Liefertermin” des Wassers rückte näher. Mit ihren kosmochemischen Analysen kann Schönbächler auch Datierungen vornehmen, ähnlich wie bei der Radio-Kohlenstoff-Methode: „Am Ende verleibte sich die Erde Körper ein, die reich an volatilen Substanzen waren, sehr wahrscheinlich auch reich an Wasser.” Diese Phase könnte schon etwa 30 Millionen Jahre nach dem Beginn der Planetenbildung begonnen haben. Der Modellrechnung zufolge wuchs die Erdmasse dabei noch einmal um 13 Prozent. Einiges spricht dafür, dass damals bereits viele der ursprünglich kleinen Planetesimale zu größeren Körpern mit Massen zwischen Erdmond und Mars herangewachsen waren. Es bedarf nicht vieler Kollisionen mit solchen Protoplaneten, um genügend Wasser zur Erde zu schaffen. Vielleicht, so spekulieren die Science-Autoren, war sogar ein besonders prominentes Exemplar als Wasserbringer beteiligt: der hypothetische marsgroße Urplanet, der nach der gängigen Theorie bei einem heftigen Crash mit der Erde die Geburt des Mondes einleitete (siehe bild der wissenschaft 6/2010, „Die sieben Rätsel des Mondes”). Was bedeutet all das nun für die Quellregion unseres Wassers? Die Kometen-These ist damit nicht wahrscheinlicher geworden. Vielmehr geraten erneut die Planetoiden ins Visier. Denn die Spektren der Kohligen Chondriten passen auch zu manchen Körpern des äußeren Planetoidengürtels. Bei einem besonders wässrigen Exemplar, ebenfalls einem Kohligen Chondriten, wurde ein Wassergehalt von 17 Prozent gemessen. Und die D/H-Werte passen besser zum Ozeanwasser als diejenigen der Kometen. Kollisionen bei der erdgeburt Einen weiteren Stein zum Wasser-Puzzle trugen Modellrechnungen bei. Alessandro Morbidelli vom Observatorium in Nizza hat mit Kollegen die Kollisionen bei der Erdgeburt im Computer nachgestellt (siehe Grafik „Planetoiden als Wasserbringer”). Sein Fazit: „Der größte Teil des heutigen Wassers kam durch wenige Protoplaneten zur Erde, die im äußeren Planetoidengürtel entstanden waren.” Auch nach diesen Resultaten hat sich die Erde die Proto- planeten in der letzten Wachstumsphase einverleibt. Kometenwasser soll hingegen höchstens zehn Prozent zum irdischen Wasserinventar beigetragen haben. Die Spurensuche geht unterdessen weiter. Anfang November flog die NASA-Sonde Deep Impact mit Hartley 2 erstmals einen Kometen der Jupiter-Familie an. Diese Kometen kreisen auf vergleichsweise sonnennahen Umlaufbahnen. Spannend ist, ob der D/H-Wert von Hartley 2 mehr dem unserer Meere ähnelt als die bislang gemessenen Werte von Schweifsternen aus sonnenfernen Regionen. Und für den kommenden Juli steht mit dem Planetoiden Vesta das erste Ziel der im September 2007 gestarteten US-Sonde Dawn („ Morgenröte”) auf dem Besuchsplan. Knapp vier Jahre später wird Dawn dann Ceres erreichen. Dieser Zwergplanet, heute mit fast 1000 Kilometern das größte Exemplar im Planetoidengürtel, könnte sich als einer der letzten überlebenden Protoplaneten aus der Zeit der Erdgeburt erweisen. Ob es Körper wie Ceres waren, die unseren Heimatplaneten in eine Wasserwelt verwandelten, wird nicht mehr lange ein Geheimnis sein. ■ THORSTEN DAMBECK ist Physiker und vom Sonnen-system fasziniert. Zuletzt berichtete er in bdw 9/2010 über die Mars-Monde. von Thorsten Dambeck Planetoiden als Wasserbringer Im frühen Sonnensystem fügten sich kleine Körper zu großen zusammen, so auch im Planetoidengürtel. Eine Modellrechnung zeigt, wie dabei wasserhaltiges Material zur Erde gelangte. Zunächst schwirrten zahlreiche kleine Brocken durchs innere Sonnensystem (1). Einige dieser „Planetesimale” stammten aus den äußeren Regionen des Gürtels und hatten dort bei ihrer Entstehung Wasser aufgenommen (blaue Punkte). Außerdem gab es trockene Planetesimale, die sich näher bei der Sonne gebildet hatten (braune Punkte). Die größeren „Protoplaneten” waren aus den Planetesimalen herangewachsen. Der blau gefärbte Bereich entspricht etwa den Sonnenentfernungen und Bahnellipsen der Körper im heutigen Planetoidengürtel. Rund zehn Millionen simulierte Jahre später war Jupiter ausgewachsen (rechts außerhalb der Diagramme). Das änderte die Lage drastisch (2 und 3): Durch die Schwerkraft des Planeten wurden die Umlaufbahnen der Körper elliptischer, das heißt ihre Exzentrizität nahm zu. Da solche Bahnen instabiler sind, dünnte der Planetoidengürtel aus. Währenddessen wuchsen die Protoplaneten allmählich im inneren Sonnensystem heran (Kugeln)und näherten sich den Orbits der heutigen terrestrischen Planeten (4 und 5). Nach 100 Millionen simulierten Jahren endet die Rechnung mit zwei großen Planeten, die hinsichtlich ihrer Masse und Umlaufbahn Erde und Mars ähneln. Der Planetoidengürtel hat mindestens 99 Prozent seiner anfänglichen Masse verloren, daher erscheint er in der Simulation (6) nun leer. Die Urerde hat am Ende der Simulationsrechnung 10 bis 20 Prozent wasserhaltiges Material aufgenommen – genug, um ihren heutigen Wasserreichtum zu erklären. Fahndung nach Deuterium Das schwere Wasserstoff-Isotop Deuterium (D) besitzt in seinem Atomkern neben einem Proton auch ein Neutron. Sein Atomkern ist also etwa doppelt so schwer wie der Kern des regulären Wasserstoff-Atoms. In Wasser-Molekülen kann Deuterium den Platz des leichten Wasserstoff-Atoms (H) einnehmen, zum Beispiel im D2O, dem „schweren Wasser” – oder, weitaus häufiger, im HDO-Molekül. Mit dem D/H-Wert wird der Anteil des Deuteriums im Wasser beschrieben. Er gilt als Schlüssel zur Klärung der Herkunft des Wassers im Sonnensystem. Irdisches Ozeanwasser hat einen D/H- Wert von 0,15 Promille: Auf jedes der seltenen D-Atome kommen also rund 6700 reguläre Wasserstoff-Atome. Die Werte der Kohligen Chondriten (besonders wasserreicher Meteoriten) rangieren teilweise in unmittelbarer Nähe: zwischen 0,12 und 0,32 Promille. Für D/H-Messungen steht seit 2009 das Weltraumteleskop Herschel zur Verfügung. Sein HIFI-Instrument (Heterodyne Instrument for the Far-Infrared) ist das empfindlichste Spektrometer, das je für das ferne Infrarot konstruiert wurde. Die Forscher messen damit das Vorkommen zweier Moleküle: von H2O und von HDO. Ziel ist ein möglichst detailliertes Gesamtbild: Mars, die Gasplaneten sowie die Saturnmonde Titan und Enceladus stehen auf der Herschel-Liste. „Außerdem soll mit Hartley 2 erstmals der D/H-Wert eines Kometen der sonnennahen Jupiter-Familie gemessen werden”, freut sich Paul Hartogh. Er leitet das Beobachtungsprogramm vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung im niedersächsischen Katlenburg-Lindau aus. KOMPAKT · Rund 0,05 Prozent der Erdmasse besteht aus Wasser – das entspricht etwa der Masse des Zwergplaneten Ceres. · Als Quelle kommen bestimmte Meteoriten in Frage, die Kohligen Chondrite, die viel Wasser enthalten. Mehr zum Thema LESEN Interdisziplinäres Fachbuch über das Lebenselixier: Ruth M. Lynden-Bell, Simon Conway Morris, John D. Barrow WATER AND LIFE CRC Press, Boca Raton 2010, € 73,99 Aktuelles Fachbuch über die kleinen Körper im Sonnensystem: O. Richard Norton, Lawrence Chitwood FIELD GUIDE TO METEORS AND METEORITES Springer, London 2008, € 27,99 Allgemein verständlicher Hintergrundartikel: Jörn Müller, Harald Lesch WOHER KOMMT DAS WASSER DER ERDE? Chemie in unserer Zeit Bd. 37, Nr. 4, S. 242–246 (2003) INTERNET Vortrag des Planetenforschers David Jewitt über das Sonnensystem und den Ursprung der Ozeane: www.ifa.hawaii.edu/videos/ Jewitt_Lecture.shtml Deep-Impact-Mission zu Komet Hartley 2: epoxi.umd.edu Dawn-Mission zu den Planetoiden Vesta und Ceres: dawn.jpl.nasa.gov