Chemische Reaktionen auf der frühen Erde haben möglicherweise ihren Ozean geformt – Ars Technica

Wasser hat die Erde zu dem gemacht, was sie ist – ein Planet, der für seine blauen Ozeane bekannt ist. Wasser bildet die Erde durch Erosion und ist für die Fähigkeit der Erde, Leben zu unterstützen, unerlässlich. Aber es fällt uns schwer zu verstehen, wie die Erde mit all diesem Wasser endete, da die Bausteine, die sie geschaffen haben, wahrscheinlich ausgetrocknet sind und die Kollisionen, die diese Bausteine ​​in einen Planeten verwandelt haben, jegliches Oberflächenwasser in den Weltraum hätten verdrängen sollen. .

Es wurden verschiedene Mittel zur Abgabe von Wasser an die Erde nach seiner Bildung vorgeschlagen. Aber eine neue Studie nimmt Informationen aus der Untersuchung von Exoplaneten und wendet sie auf die Erde an. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die chemischen Reaktionen, die während der Entstehung der Erde stattgefunden hätten, genug Wasser produziert hätten, um die Weltmeere zu füllen. Und als Nebeneffekt erklärt das Modell die etwas seltsame Dichte des Erdkerns.

wasserdicht

Die Erde scheint hauptsächlich aus Materialien des inneren Sonnensystems entstanden zu sein. Dieses Material war nicht nur am richtigen Ort, sondern das Material in Asteroiden in der Region passte auch gut in Bezug auf ihre elementare und isotopische Zusammensetzung. Aber dieses Material ist auch sehr trocken. Das ist keine Überraschung. Die Temperaturen in dieser Region hätten verhindert, dass das Wasser zu einem Feststoff kondensiert, wie er im Sonnensystem existieren kann, jenseits eines Punktes, der als „Eisgrenze“ des Wassers bekannt ist.

Jegliches Wasser im Weltraum wäre verloren gegangen, da angenommen wird, dass der Planetenbildungsprozess durch Kollisionen zwischen kleinen Körpern stattfand, wobei größere Körper allmählich größer wurden, während kleinere Körper weiterhin mit ihnen kollidierten. Ein Großteil des Wassers in diesen Objekten würde verdunsten und möglicherweise im Weltraum verloren gehen.

Aber drei Forscher (Edward Young, Anat Shahar und Hilke Schlichting) konzentrierten sich auf einen zusätzlichen Faktor, der während der Entstehung des Sonnensystems vorhanden gewesen sein könnte: Wasserstoff. Es wird angenommen, dass Wasserstoff während der frühen Phase der Planetenentstehung in großen Mengen vorhanden ist, aber dann durch die Strahlung verdrängt wird, die freigesetzt wird, sobald der Zentralstern zündet. In unserem Sonnensystem wurde ein Teil davon von den äußeren Planeten eingefangen, bevor es verloren ging. Aber unsere inneren Planeten scheinen sich früh in ihrer Geschichte mit wenig oder keinem Element gebildet zu haben.

Aber ein Blick auf die Exoplaneten legt nahe, dass dies kein unausweichliches Schicksal ist. Wir haben mehrere superfelsige Planeten gefunden, denen es anscheinend auch an wasserstoffreichen Atmosphären mangelt. Aber es gibt eine Lücke, die ungefähr doppelt so groß ist wie der Erdradius, wo wir viel jungen Neptun sehen, der anscheinend eine dicke, wahrscheinlich wasserstoffreiche Atmosphäre bewahrt hat. Dies hat zu der Vermutung geführt, dass alle Gesteinsplaneten in einer wasserstoffreichen Umgebung beginnen und daraus ihre ersten Atmosphären bilden. Aber unterhalb einer bestimmten Größe geht dieser Wasserstoff später in ihrer Geschichte verloren. Alle auf diesen Planeten vorhandenen Atmosphären sind wahrscheinlich das Ergebnis einer Sekundärbildung.

Wenn man das zu seiner logischen Schlussfolgerung bringt, könnte die Erde auch mit einer wasserstoffreichen Atmosphäre begonnen haben. Daher entschieden sich die an der neuen Studie beteiligten Forscher, zu untersuchen, welche Folgen dieses Szenario haben könnte.

Planetare Chemie

Um diese Idee zu untersuchen, modellierten die Forscher im Wesentlichen einen riesigen chemischen Reaktor, der mit den meisten Komponenten der frühen Erde gefüllt und auf die Größe eines großen Erdvorläufers (halb so groß wie die aktuelle Erde) erweitert wurde. Dazu gehören Dinge wie Eisenoxide, Natrium, verschiedene Silikate, Kohlendioxid, Methan, Sauerstoff und mehr. All dies wurde unter einer wasserstoffreichen Atmosphäre platziert und erhitzt, um Ozeane aus Magma von den wiederholten Kollisionen zu reflektieren, die während der Planetenentstehung auftraten.

Dieser Zeitraum dauerte wahrscheinlich zig Millionen Jahre, zum Teil, weil Wasserstoffatmosphären dazu neigen, Wärme sehr gut zu speichern (sie können als Treibhausgas wirken). Dies gibt den stattfindenden chemischen Reaktionen – von denen die Forscher 18 verfolgten – Zeit, um ein Gleichgewicht zu erreichen, und genügend Zeit, damit sich die verschiedenen Materialien im Inneren des Planeten basierend auf der Dichte aufteilen.

Eines der Dinge, die passieren, ist, dass viele Elemente in den Eisenkern eingebaut werden, darunter Sauerstoff, Silizium und Wasserstoff. Da diese alle weniger dicht als Eisen sind, hat dies den Effekt, dass der Kern weniger dicht ist, als wenn er reines Eisen wäre – was auf die tatsächliche Erde zutrifft.

Bei einigen Reaktionen beinhaltet das Verschmelzen von Wasserstoff die Verdrängung von Sauerstoff, und das Nebenprodukt dieser Reaktionen ist Wasser. Unter den hier untersuchten Bedingungen erzeugen die Reaktionen das gleiche Volumen wie in den heutigen Ozeanen der Erde. „Auch wenn das Gestein im inneren Sonnensystem völlig trocken ist“, schrieben die Forscher, seien die Reaktionen zwischen H.₂ Die Atmosphäre und die Magmaozeane werden reichlich H₂O. Andere Quellen von H₂O ist möglich, aber nicht erforderlich.

Modellierungsgrenzen

Auf der positiven Seite arbeitet die Simulation mit einem breiten Temperaturbereich – es braucht nur genug Wärme, um den Planeten am Schmelzen zu halten, während die hier beschriebenen Prozesse ein Gleichgewicht erreichen. Es funktioniert auch für verschiedene Größen von Vorläufern, scheitert aber, wenn der Vorläufer zu klein ist. Dies entspricht der extremen Trockenheit von Mars und Merkur. Die primäre Variable endet mit der produzierten Wassermenge; Wenn mehr Wasserstoff in den Kern gelangte, könnte leicht eine Wasserwelt entstehen, die dreimal so groß ist wie die heutigen Ozeane.

Während das Modell gegenüber vielen Änderungen der Anfangsbedingungen robust ist, ist es dadurch eingeschränkt, dass es kein vollständiges Bild der Chemie der frühen Erde darstellt. Es ist erwähnenswert, dass Schwefel und Stickstoff eine wichtige Rolle in der Chemie der Erde gespielt haben.

Aber die große Lücke im Modell ist, was passiert, nachdem sich Wasser gebildet hat. Da es einen Ozean aus Magma gibt, gelangt es in die Atmosphäre, wo es durch Sonneneinstrahlung abgespalten werden kann und verloren geht, wenn sich der Wasserstoff im Sonnensystem tatsächlich auflöst. Dasselbe gilt für alle Nachwirkungen, die den Planeten erwärmt haben, wie zum Beispiel der riesige Einschlag, der den Mond geformt hat. Wenn noch genügend Wasserstoff vorhanden ist, ist dies kein Problem, da das Wasser dies regeln kann. Die Forscher zitieren Forschungsergebnisse, die zeigen, dass eine wasserreiche Atmosphäre selbst einen massiven Einschlag überleben könnte. Schließlich können Sie sich Bedingungen vorstellen, unter denen ein anfänglicher Überschuss an Wasser produziert wurde, aber durch diese Prozesse genug verloren ging, um die Erde in ihrem gegenwärtigen Zustand zu belassen.

Während also die Wassergewinnung keine Feinabstimmung der Bedingungen erfordert, kann es sein, dass es erhalten bleibt.

Aber die Implikationen für Welten außerhalb unserer eigenen scheinen etwas größer zu sein. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass während der Bildung von Gesteinsplaneten eine Vielzahl von Anfangsbedingungen Wasser produziert haben muss. Wenn wir also an Planeten in Exosystemen denken, ist es möglicherweise fragwürdiger zu fragen, ob sie Bedingungen erlebt haben, die dazu geführt hätten, dass sie Wasser verloren hätten, als zu fragen, ob sie überhaupt Wasser hätten haben können.

Natur, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-05823-0 (über DOIs).