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Neue Experimente zeigen, dass während der glühenden Frühzeit der Erde große Mengen Wasser tief im Mantel eingefangen worden sein könnten, statt ins All zu entweichen. Dieses verborgene Reservoir — in das Mineral Bridgmanit eingeschlossen, als der Planet abkühlte — könnte eine entscheidende Rolle dabei gespielt haben, die Erde bewohnbar zu machen.
Bridgmanit: der mikroskopische Wasserspeicher des Planeten
Vor etwa 4,6 Milliarden Jahren war die Erde eine chaotische, glühende Welt. Häufige und massive Einschläge hielten die Oberfläche und weite Teile des Inneren geschmolzen und bildeten einen globalen Magmaozean, in dem flüssiges Oberflächenwasser nicht existieren konnte. Heute jedoch sind fast 70 % der Erdoberfläche von Ozeanen bedeckt. Wie konnte Wasser diese brutale Phase überdauern?
Neuere Arbeiten unter der Leitung von Prof. Zhixue Du am Guangzhou Institute of Geochemistry (GIGCAS) liefern eine überzeugende Antwort: Bridgmanit, das dominante Mineral im unteren Erdmantel, kann auf atomarer Ebene Wasser aufnehmen und binden. Bridgmanit galt zuvor unter Bedingungen des tiefen Mantels weithin als nahezu trocken, doch das Team von Du fand heraus, dass seine Fähigkeit, Wasser zu beherbergen, mit steigender Temperatur zunimmt — was bedeutet, dass die heißeste Phase der frühen Erdgeschichte paradoxerweise die günstigste Zeit war, Wasser im Mantel einzuschließen.
Diese Erkenntnis erweitert unser Verständnis von Mineralchemie unter extremen Bedingungen: Wenn Bridgmanit Hydroxylionen oder geregelte Fehlstellen in seiner Kristallstruktur aufnimmt, verändert dies nicht nur die Chemie, sondern beeinflusst physikalische Eigenschaften wie Schmelzpunkt, Dichte und Viskosität. Solche Änderungen haben weitreichende Konsequenzen für Mantelkonvektion, Schichtwechsel und die langfristige Evolution des Planeten.
Labor‑Durchbrüche: Rekonstruktion von Tiefenbedingungen
Um zu prüfen, wie viel Wasser Bridgmanit aufnehmen kann, mussten die Forschenden zwei schwierige Aufgaben erfüllen: Bedingungen reproduzieren, wie sie mehr als 660 Kilometer unter der Oberfläche herrschen, und Wasser in Proben messen, die deutlich kleiner sind als ein menschliches Haar. Das Team baute eine spezielle Diamantstempelzelle mit Laserheizung und Hochtemperatur‑Imaging, um Gleichgewichtstemperaturen nahe ~4100 °C zu erreichen — Bedingungen, die den alten Magmaozean besser nachbilden als viele frühere, niedrigere Temperaturexperimente.
Die experimentelle Apparatur kombinierte extrem hohen Druck und hohe Temperatur mit präzise kontrollierter Umgebung, so dass Bridgmanit aus einer magmaartigen Schmelze bei repräsentativen Bedingungen kristallisieren konnte. Zusätzlich sorgten strenge Kontrollen der Wasseraktivität und Redoxbedingungen dafür, dass die Messungen physikalisch aussagekräftig sind und sich auf reale planetare Prozesse übertragen lassen.
Wasser in einer winzigen Experimentprobe untersuchen
Analytisch vereinte das Projekt mehrere hochmoderne Instrumente: kryogene dreidimensionale Elektronenbeugung, NanoSIMS für hochauflösende isotopische und elementare Kartierung sowie Atomsondentomographie (APT), um die Chemie im nahezu atomaren Maßstab sichtbar zu machen. Gemeinsam wirkten diese Werkzeuge wie mikroskopische „chemische CT-Scanner“ und „Massenspektrometer“, die es dem Team erlaubten, die Wasserverteilung in winzigen Bridgmanitkristallen zu visualisieren und zu bestätigen, dass Wasser strukturell innerhalb des Kristallgitters gelöst ist.
Die Kombination dieser Methoden ist technisch anspruchsvoll: NanoSIMS erlaubt die Lokalisierung leichter Elemente und Isotope, APT liefert 3D-chemische Karten mit Subnanometerauflösung, und Elektronenbeugung klärt Kristallstrukturen bei tiefen Temperaturen. Zusammen reduzieren sie Unsicherheiten, die bei einer Einzelmethode groß wären, und liefern robuste Belege für wasserhaltige Strukturen in Bridgmanit.
Wesentliche Erkenntnisse: heißerer Mantel, feuchteres Inneres
Die Experimente zeigten, dass der Wasser‑Partitionskoeffizient von Bridgmanit — also das Maß dafür, wie viel Wasser das Mineral gegenüber der Schmelze aufnimmt — mit der Temperatur zunimmt. Praktisch bedeutet dies eine Umkehr früherer Annahmen: Während der Magmaozeanphase, als Bridgmanit aus abkühlendem Magma kristallisierte, war es fähig, deutlich mehr Wasser zu sequestrieren als bisher angenommen.
Mithilfe von Kristallisationsmodellen konnten die Forschenden zeigen, dass der frühe untere Mantel eventuell zum größten Wasserspeicher der festen Erde geworden sein könnte. Ihre Simulationen deuten an, dass das Speichervolumen dieses sequestrierten Reservoirs fünf- bis hundertfach höher sein könnte als frühere Schätzungen. Absolut gesehen könnte der frühe feste Mantel ein Volumen von etwa 0,08 bis 1 mal dem der heutigen Ozeane enthalten haben — ein Reservoir, das groß genug ist, um langfristiges Klima und Geodynamik zu beeinflussen.
Zur Einordnung: Solche Schätzungen basieren auf parametrischen Modellen, die Kristallisationssequenzen, Druck‑ und Temperaturgradienten sowie die chemische Affinität von Wasser zu Bridgmanit berücksichtigen. Unsicherheiten bleiben natürlich bestehen, etwa bei der genauen Anfangsmenge an flüssigem Wasser im Magma oder bei Wechselwirkungen mit anderen Mantelphasen wie Ferroperiklas (Mg,Fe)O. Dennoch verschiebt diese Arbeit die Plausibilitätsskala deutlich in Richtung signifikanter Mantelreservoirs.
Wie verborgenes Wasser die Entwicklung der Erde prägte
Wasser im Mantel ist nicht nur eine passive Bestandsaufnahme. Gelöstes Wasser senkt die Schmelztemperatur und verringert die Viskosität von Gesteinen, wirkt damit als Schmiermittel für Mantelkonvektion und fördert Plattenbewegung. Das Vorhandensein eines tiefen, wasserreichen Reservoirs während der frühen Stadien der Erde könnte die innere Zirkulation beschleunigt, frühe Plattentektonik angeregt und anhaltende vulkanische Ausgasungen unterstützt haben — Prozesse, die zum Aufbau einer Atmosphäre und zum zyklischen Transport von Wasser an die Oberfläche über Hunderte Millionen Jahre beitrugen.
In dynamischer Hinsicht würde ein wasserreicher unterer Mantel die thermische und mechanische Kopplung zwischen der lithosphärischen Platte und tieferen Schichten verändern. Dies beeinflusst Auftriebsraten von Mantelplumen, die Bildung von Ophiolithen und die Differenzierung zwischen Kruste und Mantel. Damit verknüpft Bridgmanit‑Wasserchemie mikroskopische Mineralprozesse mit globalen geodynamischen Konsequenzen.
Entwicklung des tiefen Wassers von der frühen Erde bis heute
Über geologische Zeiträume hinweg wäre ein Teil jenes vergrabenen Wassers durch Mantelplumen und magmatische Prozesse wieder an die Oberfläche transportiert worden, wodurch die Ozeane schrittweise aufgefüllt und die früheste Atmosphäre geformt wurden. In diesem Szenario lieferte das während der Magmaozeanphase in Bridgmanit „gepflanzte“ Wasser eine persistente, interne Quelle, die den Übergang der Erde von einem glühenden Ofen zu einem gemäßigten, lebensfreundlichen Planeten erleichterte.
Es ist wichtig zu betonen, dass dieser Mechanismus keine ausschließliche Erklärung sein muss. Surface-Reservoirs, Einschlagslieferungen von Kometen und Asteroiden sowie spätere Recyclingprozesse trugen ebenfalls zur heutigen Wassermenge bei. Dennoch erweitert das Bridgmanit-Modell den Katalog der plausiblen internen Mechanismen für langfristigen Wasserspeicher und Kreislauf.
Folgen für Planetenwissenschaft und Habitabilität
Die Ergebnisse sind nicht nur für die Erdgeschichte relevant. Das Verständnis, wie Minerale unter extremen Bedingungen flüchtige Stoffe speichern, informiert Modelle für andere terrestrische Planeten und Exoplaneten. Wenn ein verbreitetes Mantelmineral wie Bridgmanit große Wasserinventare einschließen kann, wenn ein Planet am heißesten ist, dann könnten felsige Planeten mit frühen Magmaozeanen Fluide lange genug behalten, um später Atmosphären und Oberflächenwasser zu entwickeln — Schlußbausteine für Habitabilität.
Für Erdwissenschaftlerinnen und Erdwissenschaftler fordern diese Ergebnisse eine Neubewertung globaler Wasserhaushalte und Manteldynamik heraus. Sie heben die Sensitivität geochemischer Kreisläufe gegenüber Temperatur während früher planetarer Differenzierung hervor und unterstreichen die Bedeutung von Hochdruck-/Hochtemperaturexperimenten zur Eingrenzung dieser Prozesse.
Darüber hinaus hat die Studie methodische Bedeutung: Sie zeigt, wie die Kombination von Hochdruck‑Experimenten mit hochauflösenden analytischen Methoden robuste Schlüsse zu volatilem Verhalten in Planetenkernen und unteren Mantelschichten liefern kann. Das verbessert Prognosen für die interne Entwicklung von Planeten sowie für die langfristige Verfügbarkeit von Wasser an der Oberfläche.
Expertinneneinschätzung
„Diese Studie ändert die Erklärung dafür, wo sich das Wasser der Erde während ihrer gewalttätigsten Phasen befand,“ sagt Dr. Maria Alvarez, eine Planetengeophysikerin, die nicht an der Studie beteiligt war. „Indem gezeigt wird, dass Bridgmanit ein temperaturempfindliches und realistisches Reservoir darstellt, liefert das Team einen mechanistischen Zusammenhang zwischen früher Kristallisation, Manteldynamik und dem späteren Entstehen von Oberfächenozeanen. Das hilft zu erklären, wie die Erde trotz intensiver Früherhitzung die Bausteine der Habitabilität behalten konnte.“
Dr. Alvarez hebt hervor, dass der experimentelle Ansatz — die Kombination ultraschneller Hochtemperatur-Diamantstempelversuche mit NanoSIMS und APT — einen neuen Standard für die Untersuchung des Verhaltens flüchtiger Komponenten bei planetaren Innenbedingungen setzt. Solche integrativen Methoden verringern methodische Unsicherheiten und erlauben detailliertere, quantifizierbare Aussagen über Volatilenspeicherung im Mantel.
Fazit und Ausblick
Indem sie zeigen, dass Bridgmanit bei Magmaozean-Temperaturen erhebliche Mengen Wasser binden kann, liefern die neuen Ergebnisse einen plausiblen und robusten Weg, wie die Erde ihr Wasser durch eine gewalttätige Jugend bewahren konnte. Die Vorstellung eines tiefen, anfänglich verborgenen Wasserreservoirs räumt unser Verständnis der planetaren Evolution neu auf und verknüpft mikroskopisches Mineralverhalten mit globalen Prozessen, die die Erde bewohnbar machten.
Zukünftige Arbeiten, die diese experimentellen Beschränkungen mit geodynamischen, thermischen und isotopischen Modellen koppeln, werden die Schätzungen darüber verfeinern, wie viel Wasser gespeichert und später an die Oberfläche zurückrekreiert wurde. Solche Studien sind ein wichtiger Schritt hin zu einer einheitlichen Geschichte des Wassers auf der Erde und liefern zugleich Einsichten, die für die Suche nach bewohnbaren Exoplaneten relevant sind.
In praktischer Hinsicht bedeutet dies: Um die Entwicklung von Atmosphären, dielangfristige Klimastabilität und die Voraussetzungen für Leben nachvollziehen zu können, müssen wir sowohl externe Einflüsse wie Einschläge als auch interne Speichermechanismen wie das in Bridgmanit gebundene Wasser quantitativ einschätzen. Die aktuelle Studie liefert dafür wichtige, methodisch gut abgesicherte Eckdaten.
Quelle: scitechdaily
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