Wie die Erde zu ihrem Wasser kam

Es ist keine Selbst­verständlichkeit, dass auf unserem Heimatplaneten Wasser vorhanden ist. Doch Millionen von Asteroiden­bruchstücken aus weit von der Sonne entfernten Zonen des Sonnensystems dürften eine beträchtliche Menge des Wassers unserer Ozeane auf die Erde gebracht haben. Eine neue Studie deutscher und schweizerischer Forschenden zeigt nun, dass dies nur möglich war, weil sich wasser­reiche Urbausteine des Sonnen­systems später, langsamer und bei tieferen Temperaturen bildeten. Planetesimale weiter innen im Sonnensystem konnten kein oder kaum Wasser oder Eis enthalten, da sie schneller und bei höheren Temperaturen entstanden. Dass die Erde kein trockener Planet blieb, haben wir also den spät und weit entfernt von der Sonne entstandenen Planete­simalen zu verdanken.

„Wäre es nicht zu dieser Verzögerung bei der Bildung der Planetesimale gekommen, wäre die Erde heute ein knochen­trockener Planet“, sagt Wladimir Neumann vom DLR-Institut für Planetenforschung und dem Institut für Geodäsie der Technischen Universität Berlin. „Vereinfacht gesagt war für die Zusammen­setzung der Planetesimale die Entfernung von der Sonne bei ihrer Entstehung entscheidend, welche Bestandteile in ihnen eingebaut wurden.“ Dabei erfolgte die Formung von Planete­simalen weit draußen in der dünner werdenden Scheibe aus Staub und Gas etwas verzögert und langsamer, als im Inneren Sonnensystem, vor allem aber immer wieder aufs Neue. 

„Die späten Planetesimale wurden nicht so heiß und verloren deshalb nicht das in ihnen enthaltene Wasser. Später gelangten viele dieser wasserreichen Planetesimale ins innere Sonnensystem und dürften damit der Erde große Mengen an Wasser gebracht haben“, so Neumann. So könnte auch der äußere Nachbar­planet Mars zu dem Wasser gekommen sein, das er zwar inzwischen fast vollkommen wieder verloren hat, dessen Spuren wir aber heute noch sehen. Auch für die Venus wird diskutiert, dass sie in ihrer Frühzeit einige hundert Millionen Jahre lang Wasser gehabt haben könnte.

Für astronomische Verhältnisse ging in den frühesten Zeiten des Sonnensystems alles sehr schnell. Nach der Explosion zweier oder mehr ausgebrannter Sterne in einem der Spiralarme der Milchstraße verdichteten sich die Gase dieser Supernovae-Reste, um einen neuen Stern zu bilden. Vor viereinhalb Milliarden Jahren hatte er so viel Masse angesammelt, dass in seinem Inneren Wasserstoff­atome zu Helium verschmelzen konnten und dabei Energie erzeugt wurde: Die Sonne war entstanden. Sie wurde umkreist von einer Milliarden Kilometer weit ins All reichenden Akkretions­scheibe aus Staub und Gas, den Resten dieses Prozesses.

Dort entstanden die Urbausteine der Planeten. Meteorite, Bruchstücke von Mutterkörpern, die sich damals bildeten, legen davon Zeugnis ab. Die meisten Meteorite sind Chondrite, etwa 86 Prozent. Die Chondren, Kügelchen, entstanden innerhalb weniger Millionen Jahre in dieser proto­planetaren Scheibe, indem blitzartig erhitztes und geschmolzenes Material Tropfen formte. Sie erstarrten und ballten sich dann zusammen mit Staub und Gasen, darunter auch Wasser, zu größeren Körpern zusammen, den Planetesimalen. Es waren die Urbausteine der Planeten, aus denen diese in kaum zehn Millionen Jahren entstanden. Vor rund viereinhalb Milliarden Jahren war die Planeten­entstehung also schon relativ kurz nach dem Zünden der Sonne vor 4,567 Milliarden Jahren abgeschlossen. Weil aber noch unzählige kleine Körper übrigblieben, waren es sehr unruhige Zeiten im Sonnensystem mit noch viel häufigeren Einschlägen von Asteroiden und Kometen auf den jungen Planeten. Insbesondere Asteroiden aus der äußeren Zone des Hauptgürtels zwischen Mars und Jupiter, die jenseits einer als „Schnee­grenze“ bezeichneten Sonnen­entfernung entstanden sind, dürften der Erde große Anteile ihres Wassers geliefert haben. Unklar war, wie das Wasser in die Planetesimale kam.

Woher das Wasser auf der Erde stammt, ist seit langem Gegenstand wissen­schaftlicher Diskussionen. Ein beträchtlicher Teil dürfte aus dem Erdinneren stammen und von Vulkanen in die Atmosphäre geblasen worden sein und dann als Regen die ersten Ozeane teilweise gefüllt haben. Das dürfte aber nicht die einzige Quelle von Wasser sein. Kam also noch Wasser von außerhalb hinzu? Bisher wurde angenommen, dass die Akkretions­prozesse näher an der Sonne schneller abliefen, als fern von ihr, nicht zuletzt, weil eine höhere Materialdichte der Scheibe das Wachstum begünstigte. Infrage gestellt wurde diese These durch die Entdeckung von Meteoriten, deren Mutterkörper schon weiter entwickelt waren, die aber in ihrer geochemischen Signatur identische Isotopen­verhältnisse haben, wie Meteorite von undifferen­zierten Mutterkörpern aus dem äußeren Teil des Sonnensystems. Eine Erklärung: Im äußeren Teil der proto­planetaren Scheibe existierte eine Region, in der es während ihrer gesamten Lebenszeit, also vom Zeitpunkt Null bis in weniger als vier Millionen Jahren immer wieder zur Entstehung von Planetesimalen kam.

„Wir können das durch die Herleitung der Entstehungszeiten der Mutterkörper der Meteorite zeigen“, so Wladimir Neumann. „Die Herleitung erfolgte durch die Kombination von Modellen der thermischen Entwicklung mit den gemessenen thermo-chrono­logischen Daten der Meteorite“. Seit gut zwanzig Jahren versucht die Wissenschaft in ihren Überlegungen zur Akkretion zwei große Probleme zu überwinden. Zum einen haben Modelle und Labor­untersuchungen gezeigt, dass Staub­verklumpungen durch Zusammenstöße nicht über eine Größe von einem Meter anwachsen können, was als „Ein-Meter-Barriere“ bezeichnet wird. Die Dynamik der Strömungen solcher Staubklumpen in Richtung Scheibeninneres oder Zerschlagung durch Zusammen­stöße bei hohen Geschwin­digkeiten verhindern ein weiteres Anwachsen. So können also keine Planetesimale entstehen.

Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich durch Scheibenmodelle, in denen die Existenz von Hochdruck­gebieten vorhergesagt wird. Diese müssen wie Fallen für die Staubteilchen wirken und Gebiete darstellen, die groß genug sind, dass sie sich nicht auflösen und dort Materie quasi auf der Stelle zu Planetesimalen kollabiert. Das passierte überall in der Akkretions­scheibe und lief in etwa 100.000 Jahren ab. Aber es bedeutete auch, dass die in diesen Teilchenfallen gebildeten Planetesimale wegen des radioaktiven Zerfalls des Aluminium­isotops 26 zu heiß wurden, als dass sie Wasser an sich hätten binden können. Später gebildete Planetesimale hatten signifikant weniger ²⁶Al und konnten deshalb nicht mehr so heiß werden.

Wie also konnten sich dann doch Mutterkörper von Meteoriten bilden, die kalt genug waren, das leichtflüchtige Wasser­molekül nicht zu verlieren? Den Schlüssel zur Beantwortung dieser Frage fanden Wladimir Neumann und seine Kolleginnen und Kollegen vom Institut für Geowissen­schaften der Universität Heidelberg, der Universität Bayreuth und der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich in der Untersuchung einiger kohlenstoff­reicher Meteorite, deren Mutterkörper fern der Sonne entstanden sein mussten. Darunter befand sich auch der 25 Gramm schwere „Flensburg-Meteorit“, der am 12. September 2019 vom Himmel gefallen war. Er enthält Minerale, die allesamt nur in Verbindung mit Wasser kristallisieren konnten und dessen Mutterkörper 2,7 Millionen Jahre nach der Entstehung der Akkretions­scheibe, also nach dem Zeitpunkt Null entstanden ist. Untersucht wurden auch die Gruppe Tafassite, also Meteorite, die deutlich jünger waren als Funde von Mutterkörpern, die nur besagte hunderttausend Jahre zur Bildung benötigten. Ebenso wurden Meteorite analysiert, deren Mutterkörper ein Alter von 3,7 Millionen Jahren nach Zeitpunkt Null haben.

Diese Untersuchungen lassen den Rückschluss zu, dass die beiden geschilderten Mechanismen gegeneinander gerichtete Effekte hatten – das Einwärts­driften in der Scheibe, das die Planetesimale nicht entstehen lässt und die Entstehung von Hochdruckgebieten mit Teilchenfallen, in denen die Planetesimale eigentlich früh und schnell entstehen sollten. Und dies sogar in variablen Verhältnissen zu unter­schiedlichen Zeiten und in unterschiedlichen Zonen des äußeren Sonnensystems. So verhindern die Hochdruck­gebiete den kompletten Verlust von Material. Aber das trotzdem geschehene teilweise Wegdriften verhinderte, dass das gesamte Material durch Kollaps sehr früh in Planetesimale eingebaut wurde, sich erhitzte und dadurch das Wasser ausgetrieben worden wäre. Dadurch war dann später noch bis zu einer Zeit von etwa vier Millionen Jahren nach Entstehung der planeten­bildenden Akkretions­scheibe genug Material vorhanden, um Planete­simale zu bilden, die das Wasser nicht ausgasen würden. Dies dürfte für die Belieferung der Erde mit Wasser, wenn auch erst einige hunderte Millionen Jahre später, gesorgt haben.