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Die Geschichte des Wassers auf der Erde seit 4,6 Milliarden Jahren 1. Entstehung von Wasser im Universum 2. Herkunft des Wassers auf der Erde (und auf anderen Planeten) 3. Die Rolle des Wassers in der bisherigen Erdgeschichte 4. Die Zukunft des Wassers auf der Erde Joachim Block, DLR 16. August 2016 Die Geschichte des Wassers auf der Erde seit 4,6 Milliarden Jahren 1. Entstehung von Wasser im Universum 2. Herkunft des Wassers auf der Erde (und auf anderen Planeten) 3. Die Rolle des Wassers in der bisherigen Erdgeschichte 4. Die Zukunft des Wassers auf der Erde Wasser ist H20 Wassermoleküle bestehen aus zwei Wasserstoffatomen (H) und einem Sauerstoffatom (O), die in einem Winkel von 104,45° aneinander gebunden sind. Bei hohen Temperaturen oder niedrigem Druck bewegen sich diese Moleküle frei (⇒ Dampf), unter 0 °C ordnen sie sich in einem Kristallgitter an (⇒ Eis). Dazwischen bewirken schwache Brückenbindungen eine „geschmeidige“ Kopplung (⇒ Flüssigkeit) Im frühen Universum konnte es noch kein Wasser geben… Wasserstoff Helium … denn außer Wasserstoff und Helium existierten die chemischen Elemente unseres Periodensystems anfangs noch gar nicht. Auch Sauerstoff gab es noch nicht, und damit natürlich auch kein H2O Alle anderen Elemente sind erst in den Sternen entstanden Alle Sterne gewinnen Energie aus der Fusion von Wasserstoff zu Helium. Größere Sterne erzeugen am Ende ihres „Lebens“ auch schwerere Elemente bis zum Eisen Bei Supernova-Explosionen schwerer Sterne werden dann sämtliche Elemente erzeugt und in den Raum geschleudert Dadurch werden die Gaswolken im interstellaren Raum im Laufe von Jahrmilliarden allmählich mit allen Elementen angereichert. Auch chemische Verbindungen (wie H2O ) können sich jetzt bilden. Sterne jüngerer Generationen bekommen diesen „Mix“ bei ihrer Entstehung dann schon mit – wie unsere Sonne vor 4,6 Mrd. Jahren Gaswolken kontrahieren ⇒ neue Sterne entstehen Akkretionsscheibe um den jungen Stern HL Tauri Akkretionsscheiben im Orionnebel Sobald im Zentrum lokaler Kontraktionen Druck und Temperatur hoch genug sind, zündet die Kernfusion, und ein neuer Stern beginnt zu leuchten. Um ihn herum sammelt sich die Materie in einer Akkretionsscheibe. Dieser Vorgang kann heute mit Weltraumteleskopen gut beobachtet werden. Auch die Ur-Sonne hatte einst solch eine Scheibe um sich… Die Zusammenballung der festen Partikel in der Scheibe um die Ur-Sonne (→ hier in künstlerischer Darstellung) zu immer größeren Körpern geschah relativ schnell. 4,56 Milliarden Jahre vor heute waren die Planeten der Sonne im wesentlichen fertig – und sehr heiß, weil die Energie der ständigen Einschläge sie aufgeheizt hatte Aufschmelzen der Ur-Erde vor 4,56 Milliarden Jahren Die von den Einschlägen erzeugte Hitze führte zum Aufschmelzen wie in einem Hochofen: Das Eisen sank in den Kern der Ur-Erde, die leichteren Silikate lagerten sich als Gesteinsmantel darüber ab. Auf den Nachbarplaneten war es genauso. Für Wasser (und für organische Moleküle) waren die frühen Planeten viel zu heiß Nochmaliges Aufschmelzen bei der Entstehung des Mondes Vor 4,51 Milliarden Jahren kollidierte die Ur-Erde mit einem anderen Protoplaneten (Theia). Aus dem herausgeschleuderten Mantelmaterial kondensierte der Mond, und die Erdachse wurde durch den Aufprall um 23 Grad gegen die Senkrechte gekippt Aber wo kam nun unser Wasser her ? Die protosolare Scheibe um die junge Sonne (→ Bild) hatte zweifellos auch im Innenbereich Wasser enthalten, aber nach der Bildung der Erde und ihrer Nachbarplaneten war es dort zunächst noch zu heiß, um Wasser festzuhalten. Außerhalb einer gewissen „Gefriergrenze“ in größerem Abstand von der Sonne waren hingegen massenhaft wasserhaltige Körper (Kometen, Asteroiden) kondensiert. Sie bildeten ein entscheidendes Reservoir, wie wir heute wissen Die Geschichte des Wassers auf der Erde seit 4,6 Milliarden Jahren 1. Entstehung von Wasser im Universum 2. Herkunft des Wassers auf der Erde (und auf anderen Planeten) 3. Die Rolle des Wassers in der bisherigen Erdgeschichte 4. Die Zukunft des Wassers auf der Erde Joachim Block, DLR 16. August 2016 Die Erwartung der frühen Jahre – alles bemannt ! Nach der Erkaltung : Ein „Kometenbombardement“ Kometen und Asteroiden aus den äußeren Bereichen des jungen Sonnensystems haben vor ca. 4 Milliarden Jahren massenhaft die allmählich erkaltenden Planeten „bombardiert“ und ihr Wasser mitgebracht. Zuerst verdampfte alles, regnete später in einem Dauerregen ab und bildete die ersten Ozeane Erforschung der Schlüsselrolle der Kometen Die europäische Forschungsmission ROSETTA zum Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko, an der auch Braunschweiger Institute maßgeblich beteiligt sind, hat viele Erkenntnisse zur Herkunft des irdischen Wassers und der darin gelösten organischen Moleküle gebracht x Evolution der ersten „lebendigen“ Biomoleküle in den Ozeanen des Archaikums vor ≈ 3,8 Milliarden Jahren Vom ROSETTA-Lander gefundene organische Moleküle auf 67P / Churyumov-Gerasimenko Unser Nachbar Mars hat sein Wasser weitgehend verloren… Sandüberwehte alte Eisschollen Ausgetrocknete Flussläufe Wassereis nahe dem Mars-Nordpol … während es weiter draußen viel wasserreichere Welten gibt Etliche Monde im äußeren Sonnensystem enthalten prozentual viel mehr Wasser als die Erde und besitzen bis zu 100 km tiefe Ozeane unter einer oberflächlichen Eisdecke. Auf dem Saturnmond Enceladus (→ Bild links) gibt es sogar Geysire, die Wasserdampf tief in den Weltraum hinausschleudern Die Erwartung der frühen Jahre seit – alles ! Irdischer Wasservorrat: konstant 3,8 bemannt Mrd. Jahren 1,46 Milliarden km3 Wasser Die Geschichte des Wassers auf der Erde seit 4,6 Milliarden Jahren 1. Entstehung von Wasser im Universum 2. Herkunft des Wassers auf der Erde (und auf anderen Planeten) 3. Die Rolle des Wassers in der bisherigen Erdgeschichte 4. Die Zukunft des Wassers auf der Erde Joachim Block, DLR 16. August 2016 Stromatolithen – seit 3,5 Milliarden Jahren Stromatolithen sind Ablagerungen mit jeweils einer dünnen phototropen Mikrobenmatte an der Oberfläche. (Foto: eines der letzten rezenten Vorkommen in Australien, Shark Bay) Cyanobakterien trieben als erste Organismen Photosynthese. Vor 2,5 Milliarden Jahren begann die Atmosphäre freien Sauerstoff zu enthalten und nur wenige Mikroorganismen, die ihn vertragen konnten, überlebten. Zeitweise zugefrorene Ozeane im Präkambrium ganz zugefroren ? fast zugefroren ? Nach dem „Great Oxigenation Event“ kam es vor ca. 2,3 Milliarden Jahren zum ersten Mal, und dann im „Cryogenium“ (vor 850 - 630 Mio. Jahren ) zum zweiten Mal zu einer Totalvereisung der Erde („Schneeball-Erde“). Das war auch deshalb möglich, weil die Sonneneinstrahlung damals noch schwächer war. Nur die weiterlaufende Plattentektonik erzeugte beide Male genug Treibhausgase, um die Erde schließlich wieder aufzutauen DieDie Erwartung der frühen Jahre – alles(Ediacarium) bemannt ! Erde im späten Proterozoikum Als die Erde 4 Milliarden Jahre alt wurde (kurz vor Beginn des Kambriums) hätten wir sie noch nicht als unseren Heimatplaneten erkannt… South Pole Die Kontinente waren völlig anders angeordnet und noch gänzlich unbelebt. In den Meeren hatte es bis dahin nur Einzeller gegeben, aus denen sich gerade erst die ersten Vielzeller entwickelten In den Ozeanen des Kambriums beginnt vor 542 Millionen Jahren die Vielfalt des Lebens Die vier Kontinente, die es im Kambrium gibt (Gondwana, Laurentia, Baltica und Sibiria), sind noch unbelebt. Erst im Ordovizium und Silur geht das Leben an Land, im Devon die ersten Wirbeltiere Paläozoikum: Erste Blütezeit des Lebens Zwischen der kambrischen Revolution (542 Mio. Jahre vor heute) und dem Ende des Perm (251 Mio. Jahre vor heute) hat das irdische Leben seine erste Hochblüte, seit dem Devon auch an Land Die größte biologische Katastrophe aller Zeiten Das Zechsteinmeer breitet sich in ganz Norddeutschland aus Tethys Pangäa Panthalassa Vor 251 Millionen Jahren lassen riesige Vulkanausbrüche (Trapps) in Sibirien die Temperaturen drastisch steigen, auch im Ozean. Dadurch kippt der Ozean chemisch um (Methan aus Methanhydrat wird frei). 96 Prozent aller Arten sterben. Trias und Jura Panthalassa Tethys Die große Zeit der Dinosaurier In der Trias muss sich die höhere Tierwelt von neuem entwickeln. Dominant werden die Reptilien, vor allem die Saurier. Im Jura beherrschen sie die Erde. Die Erde in der Kreidezeit : eisfrei und warm Die Öffnung des Atlantiks schreitet immer weiter fort. Indien hat sich von der Antarktis getrennt und wandert nach Norden. Australien wird bald folgen. Der Meeresspiegel liegt sehr hoch, große Bereiche der Kontinente sind von Flachmeeren überflutet. Auch Braunschweig liegt im flachen Kreidemeer. Die der frühen Jahre – alles bemannt ! DerErwartung aufgefaltete Boden des Kreidemeers bei Hoppenstedt am Fallstein (südöstlich Hornburg) Der Meeresspiegel lag in der Kreidezeit 400 Meter höher ! Cenoman Turon Entdeckung der Iridiumanomalie in der 65 Millionen Jahre alten Kreide-Tertiär-Grenzschicht durch W. Alvarez (1978) tertiäre Fossilien (z.B. höhere Säugetiere) kreidezeitliche Fossilien (z.B. Dinosaurier) Chicxulub : Einschlag eines 10 km großen Asteroiden • • • • • • Hitze- und Druckwelle tötet sofort alle Lebewesen in riesigem Umkreis Feuerwalze läuft um die ganze Erde und setzt sämtliche Wälder in Brand Extrem dichte Rauch- und Aschewolken verdunkeln die Atmosphäre jahrelang Kälte und Dunkelheit bringen die Photosynthese weitgehend zum Erliegen Zahllose Gattungen sterben, darunter alle Saurier (außer den Vögeln) So endet die Kreidezeit (und damit das Mesozoikum). Das Tertiär beginnt Die europäische Südküste im mittleren Tertiär (Oligozän) FABL-Vortrag / BLM-Reihe „Archäologie am Mittwoch“ 19. Januar 2011 Joachim Block Im Oligozän (30 Mio. Jahre vor heute) ragen bereits große Teile der Alpen aus dem Meer, die Karpaten jedoch noch nicht. Der Boden des einstigen Tethysmeeres ist weitgehend subduziert, oberflächennahe Krustenteile werden mit den Alpen aufgefaltet In den Eiszeiten Pleistozäns Die Erwartung der frühen Jahre –des alles bemannt !lag der Meeresspiegel 100 m tiefer als heute Der Boden der Nordsee war Festland → „Doggerland“ Die Erwartung der frühen Jahre – alles bemannt ! Die Verteilung des irdischen Wassers heute Die Geschichte des Wassers auf der Erde seit 4,6 Milliarden Jahren 1. Entstehung von Wasser im Universum 2. Herkunft des Wassers auf der Erde (und auf anderen Planeten) 3. Die Rolle des Wassers in der bisherigen Erdgeschichte 4. Die Zukunft des Wassers auf der Erde Joachim Block, DLR 16. August 2016 Zunächst einmal ist das Pleistozän keineswegs zu Ende… Was wir „Holozän“ nennen (= die geologische Jetztzeit) ist vermutlich nur ein Interglazial – wie die Warmzeiten zwischen Elster-, Saale- und Weichseleiszeit Eem Holozän +4 Elster Saale hoch Weichsel 0 -4 -8 Temperatur CO2 Methan - 12 400 300 Relative Kohlendioxidund Methankonzentration Temperatur im Verhältnis zum heutigen Klima Holstein niedrig 200 100 0 Tausend Jahre vor heute Ob die gegenwärtige anthropogene Erwärmung diese Abfolge unterbricht oder nur verzögert, wird sich noch herausstellen. Die Sonne wird heißer und bläht sich auf Leuchtkraft der Sonne Heute = 100 % Alter des Sonnensystems in Milliarden Jahren 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Ende der Erde höheres Leben nicht mehr möglich bisherige Erdgeschichte Ozeane verkochen, kein Leben mehr Sonnenaufgang in 4 Milliarden Jahren Unsere Sonne wird sich zum „Roten Riesen“ aufblähen, schließlich ihre Hülle abwerfen und im Kern zu einem „Weißen Zwerg“ kollabieren. Sterne mit mehr als dem 1,44-fachen der Sonnenmasse kollabieren noch weiter zu Pulsaren oder Schwarzen Löchern. Zusammenfassung (1) • Wasser ist eine der einfachsten chemischen Verbindungen im Universum. Es besteht aus zwei Elementen, nämlich Wasserstoff und Sauerstoff. • Im frühen Universum gab es jedoch weder Wasser noch irgendwelche festen Körper (auch noch keine Planeten), weil sämtliche Elemente außer Wasserstoff und Helium erst später durch Kernfusion in den Sternen erzeugt wurden. • Erst nachdem das Universum einige Milliarden Jahre alt war und hinreichend viele Sterne entstanden und inzwischen auch schon wieder explodiert waren, reicherte sich das interstellare Gas allmählich mit diesen Elementen an. Damit wurde u.a. auch die Bildung von Wasser möglich. • Sterne späterer Generationen (wie z.B. unsere Sonne) bekamen dann schon genügend viel von diesen Elementen mit, um auch feste Planeten zu bilden. • Die Entstehung unseres eigenen Sonnensystems begann vor 4,6 Milliarden Jahren. Die Bildung der Erde und ihrer Schwesterplaneten war ein phasenweise sehr heißer Prozess. Wasserreiche Körper (z.B. Kometen) kondensierten vorzugsweise in den kühleren sonnenferneren Bereichen des Sonnensystems. Zusammenfassung (2) • Ein Großteil des Wassers (und alle organischen Moleküle, die für die Entstehung des Lebens unerlässlich waren) wurden erst nachträglich durch Kometen und Asteroiden auf die Planeten gebracht. • Die Erde hat ihren damals angesammelten Wasservorrat von 1,46 Mrd. km3 durch die bisherige Erdgeschichte gut bewahrt (während z.B. der Mars den seinen weitgehend verloren hat). Auch die Entwicklung des Lebens und die Plattentektonik haben den Wasservorrat der Erde als solchen nicht berührt. • Über alle Klimaschwankungen der „näheren“ Zukunft hinweg (anthropogene Erwärmung, neue Eiszeiten…) wird die Sonne langfristig heißer werden, bis sie sich in ca. 5 Milliarden Jahren zum „Roten Riesen“ aufblähen wird. Diese Entwicklung ist sicher und unabwendbar. Schon lange vorher, in bereits etwa 2 – 3 Milliarden Jahren, werden die irdischen Ozeane verkochen. • Der irdische Wasservorrat wird sich dabei in heißen Dampf verwandeln und allmählich mitsamt der gesamten Atmosphäre vom enorm gesteigerten Sonnenwind in den Weltraum geblasen werden. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
