Geheimnis im Erdkern: Wasserstoff für 45 Ozeane verborgen

Sensationeller Fund tief unter der Erdoberfläche

Aktuelle wissenschaftliche Erkenntnisse deuten darauf hin, dass sich weit unter unseren Füßen ein gigantisches Wasserstoffreservoir verbirgt. Diese Entdeckung revolutioniert unser Verständnis darüber, woher das Wasser auf unserem Planeten tatsächlich stammt.

Zum ersten Mal haben Forscher die Menge an Wasserstoff abgeschätzt, die direkt im Erdkern eingeschlossen sein könnte. Das Ergebnis verblüffte die gesamte wissenschaftliche Gemeinschaft – es handelt sich um ein Potenzial, das Dutzenden von Ozeanen entspricht, von dessen Existenz bisher niemand ahnte.

Der Erdkern: von Rätseln zu präzisen Modellen

Unser Wissen über das Innere des Planeten ist relativ jung. Erst die Entwicklung der Seismologie zu Beginn des 20. Jahrhunderts ermöglichte einen Blick in die Struktur der Erde. In den dreißiger Jahren enthüllte die Erforschung seismischer Wellen, dass sich im Zentrum eine feste Metallkugel befindet, umgeben von einer flüssigen Schicht – dem inneren und äußeren Kern.

Die Analyse der Geschwindigkeit seismischer Wellen erlaubte es, die Dichte dieser tiefen Zonen zu berechnen. Der Vergleich mit metallischen Meteoriten führte zu einer recht einfachen Schlussfolgerung: Der Kern besteht hauptsächlich aus Eisen und Nickel. Im Laufe der Zeit zeigte sich jedoch, dass dies nicht ausreichte, um die gemessenen Dichtewerte zu erklären. Etwas Leichteres fehlte.

Seit den sechziger Jahren vermuteten Geophysiker die Anwesenheit leichter Elemente im Kern: Schwefel, Silizium, Sauerstoff, Kohlenstoff und möglicherweise auch Wasserstoff. Das Problem liegt darin, dass der Kern nicht direkt zugänglich ist, sodass alle Schlussfolgerungen auf indirekten Hinweisen und außerordentlich empfindlichen Messungen basieren.

Warum Wasserstoff im Kern so schwer nachweisbar ist

Wasserstoff ist das leichteste und kleinste aller Elemente. Er durchdringt Mineralien mühelos, bewegt sich schnell und lässt sich in Messungen nur schwer erfassen. Bei der Untersuchung der Erdstruktur wirkt er wie Rauschen in schwachen Daten – einzelne Prozent oder Bruchteile eines Prozents der Masse bedeuten einen enormen Unterschied, aber ihre genaue Bestimmung ist äußerst anspruchsvoll.

Außerdem sind alle Daten über den Kern indirekt. Wissenschaftler stützen sich auf:

• Aufzeichnungen seismischer Wellen nach Erdbeben
• Messungen der Schwerkraft und des Trägheitsmoments des Planeten
• Hochdruckexperimente mit Proben von Metallen und Gesteinen
• Vergleiche mit Meteoriten, die als „Bruchstücke des frühen Sonnensystems“ gelten

Aus solch verstreuten Quellen muss ein zusammenhängendes Bild erstellt werden. Jedes neue Experiment, das die Bedingungen in 3.000 bis 5.000 Kilometern Tiefe auch nur etwas besser nachahmt, ist Gold wert.

Wie es gelang, den Erdkern im Labor nachzubilden

In der neuesten Untersuchung beschlossen Geophysiker, das Rätsel direkt anzugehen. Sie nahmen eine Eisenlegierung, die in der Zusammensetzung dem Kern entspricht, zusammen mit Material, das einen urzeitlichen Magmaozean nachahmt, und untersuchten, wie sich Elemente unter extremen Bedingungen zwischen ihnen verteilen.

Dafür benötigten sie Diamantstempelzellen – spezielle Vorrichtungen, bei denen zwei gegenüberliegende Diamanten mikroskopische Proben auf Drücke von Hunderten Gigapascal zusammenpressen. Die Forscher erhitzten das Material zusätzlich mit einem Laser auf etwa 4.800 Grad Celsius, also eine Temperatur nahe den Bedingungen im Kern unseres Planeten.

Entscheidend waren zwei Komponenten des Experiments:

• Eisenlegierung ähnlich dem Kern – simuliert den metallischen Erdkern
• Silikatglas mit Wasser – repräsentiert den alten Magmaozean mit Wasserstoffverbindungen

Nach Stabilisierung der Bedingungen nutzten die Forscher eine Technik namens Atomsondentomographie. Diese ermöglicht es, die Zusammensetzung der Probe nahezu Atom für Atom in drei Dimensionen zu „sehen“. Dadurch lässt sich die Menge an Silizium, Sauerstoff und Wasserstoff im metallischen wie im Silikatteil präzise berechnen.

Wie viel Wasserstoff der Erdkern aufnehmen kann

Die gewonnenen Daten zeigen, dass der Kern 0,07 bis 0,36 Prozent seines Gewichts in Form von Wasserstoff enthalten kann. Das klingt nach einer Kleinigkeit, aber im Maßstab des gesamten Planeten ist es eine gewaltige Zahl. Das Team berechnete, dass dies einer Wasserstoffmenge entspricht, die ausreicht, um 9 bis 45 Ozeane von einem Volumen zu bilden, das mit dem heutigen Weltmeer vergleichbar ist.

Dieser „verborgene“ Speicher bedeutet natürlich nicht, dass irgendwo unter uns Meere plätschern. In den Tiefen des Planeten ist Wasserstoff in der Struktur von Metallen unter gigantischem Druck gebunden. Wesentlich ist, dass im erdweiten Maßstab genau so viel Wasserstoff während der Planetenbildung im Kern endete.

Ursprung des Wassers auf der Erde: zwei konkurrierende Szenarien

Seit Jahren existieren zwei Haupthypothesen, die erklären, woher das Wasser auf der Erde stammt:

• Wasser entstand zusammen mit der Erde, als der junge Planet Materie ansammelte, die reich an flüchtigen Verbindungen war
• Der Großteil des Wassers kam später mit Kometen und Asteroiden als „Regen“ kosmischer Projektile

Wenn sich Wasserstoff in einer Menge im Kern zusammenpressen lässt, die Dutzenden von Ozeanen entspricht, passt das deutlich besser zum ersten Szenario. Dieses geht davon aus, dass zu Beginn der Erdgeschichte ein riesiger Magmaozean existierte, der bereits Wasserstoff und Sauerstoff enthielt. Ein Teil dieser Mischung gelangte bei der Trennung von Kern und Mantel in die tiefsten Regionen des Planeten.

Im Szenario, bei dem Wasser überwiegend aus späteren Kometeneinschlägen stammt, sollte Wasserstoff eher in den äußeren Schichten dominieren – in Kruste und Mantel. Die Versuchsergebnisse deuten jedoch auf einen beträchtlichen Anteil von Wasserstoff im Kern selbst hin. Das ist ein starkes Argument dafür, dass die Erde den Großteil ihres Wassers bereits bei ihrer Geburt „mitbrachte“.

Was Wasserstoff im Kern an unserer Sicht auf die Erde verändert

Enthält der Kern bedeutende Mengen Wasserstoff, müssen zahlreiche bisherige Modelle überdacht werden. Wasserstoff beeinflusst:

• die Dichte der Eisen-Nickel-Legierung bei hohem Druck
• die Schmelztemperatur und Viskosität des flüssigen äußeren Kerns
• die thermische und elektrische Leitfähigkeit im Inneren des Planeten
• die Funktionsweise des Geodynamos, der für das Magnetfeld der Erde verantwortlich ist

Das Magnetfeld dient als Schild, das die Oberfläche vor Sonnenwind und hochenergetischen Teilchen schützt. Jede Änderung in Kernmodellen wirkt sich daher auch auf Vorhersagen bezüglich der Stabilität dieser Schutzblase im langfristigen Horizont aus.

Zusammenhang mit der Suche nach lebensfreundlichen Planeten

Die neuen Ergebnisse haben nicht nur für unseren Planeten Bedeutung. Astronomen entdecken immer besser felsige Exoplaneten, können aber nur sehr schwer beurteilen, ob diese Wasser haben und es über Milliarden Jahre halten können. Kann sich Wasser zum großen Teil im Kern „verstecken“, muss dieses verborgene Reservoir bei der Modellierung ferner Planeten berücksichtigt werden.

Das könnte die Schätzungen verändern, wie viele Himmelskörper tatsächlich die Chance haben, langfristig Ozeane an der Oberfläche zu erhalten. Ein Planet ohne Wasser in der Kruste muss nicht völlig trocken sein – ein Teil der Vorräte könnte tief im Inneren gelandet sein, wie die neuesten Daten im Fall der Erde nahelegen.

Unsicherheiten und weitere Schritte in der Forschung

Die Autoren der Studie betonen selbst, dass ihr Ergebnis als erstes, noch unscharfes Bild verstanden werden muss. Experimente unter derart extremen Bedingungen sind immer mit Fehlerrisiken behaftet: Die Proben sind mikroskopisch klein und jede Ungenauigkeit in der Kalibrierung des Lasers oder der Sensoren kann das Ergebnis verschieben.

Deshalb haben bereits andere Geophysiker-Teams eigene Versuche mit verschiedenen Zusammensetzungen von Eisenlegierungen, anderen Temperaturen und Drücken angekündigt. Zeigen unabhängige Messungen ähnliche Werte beim Wasserstoffgehalt, wird die Hypothese vom „wasserhaltigen“ Kern erheblich gestärkt.

Für Laien mag es überraschend klingen, dass wir über die tiefsten Schichten der Erde immer noch so wenig wissen. Die Grenze zwischen Mantel und Kern liegt weiter entfernt als jeder Meeresboden, und die dortigen Bedingungen lassen sich nicht perfekt nachbilden. Deshalb stützt sich die Geophysik auf eine Reihe verschiedener Methoden, die sich gegenseitig überprüfen oder korrigieren.

Was gewöhnliche Leser daraus mitnehmen können

Die Frage nach Wasserstoff im Kern verbindet mehrere Themen, über die immer häufiger gesprochen wird: Klimawandel, langfristige Stabilität der Bedingungen auf der Erde oder die Chancen auf Leben außerhalb des Sonnensystems. Wie ein Planet Wasser sammelt und bewahrt, entscheidet darüber, ob er über Milliarden Jahre Ozeane, Atmosphäre und schließlich auch eine Biosphäre aufrechterhalten kann.

In der Praxis lässt sich solche Forschung als Geschichte über die „Versicherung“ der Erde betrachten. Ist ein Teil des Wassers tief verborgen, wird das planetare System widerstandsfähiger gegen Wasserverlust von der Oberfläche, beispielsweise durch intensivere Strahlung des Sterns. Andererseits kann ein großes Reservoir im Inneren unter bestimmten Bedingungen die oberen Schichten langsam mit neuen Wassermengen versorgen.

Für die Wissenschaft ist dies eine Herausforderung zu einer noch engeren Verknüpfung von Daten aus der Physik des Erdinneren, der Astronomie und planetaren Chemie. Je besser wir verstehen, wie unser Planet mit Wasser vom Kern bis zur Atmosphäre haushaltet, desto leichter können wir beurteilen, wo außerhalb der Erde ähnliche langlebige Oasen existieren können, die für Leben günstig sind.