Der kosmische Glücksfall

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Von: Jan Zalasiewicz und Mark Williams

An Wasser herrscht kein Mangel im Universum, wir finden es auf Monden und Planeten – in unserem Sonnensystem und darüber hinaus. Aber nirgendwo scheint es so lebensfreundliche Wasserwelten zu geben wie unsere Ozeane. Wieso hat die Erde einen derartigen Sonderstatus?

Wassermoleküle
Wasser, überall Wasser. Die scharfen Augen unserer Teleskope erforschen das Universum und erspähen dabei überall da draußen dieses Molekül: Wasser in riesigen Wolken um weit entfernte Quasare herum, Wasser, das aus abgelegenen Sternen schießt, Wasser in der Atmosphäre gewaltiger Planeten.

All das weckt Hoffnung darauf, bald etwas zu finden, was wir seit Langem erfolglos suchen: eine schöne, blaue Wasserwelt wie unsere Erde. Aber ist es wirklich so einfach? Je mehr wir darüber herausfinden, wie Wasser auf die Erde gekommen und vor allem auch dort geblieben ist, desto deutlicher wird, dass es sich dabei um einen unglaublichen Zufall gehandelt haben muss. Auch wenn das Universum voller Wasser ist, die Erde könnte trotzdem einzigartig sein – inmitten von deutlich seltsameren und lebensfeindlicheren Wasserwelten. Offenbar sind unsere Ozeane ein außerordentlich wertvoller und seltener Schatz.

Unsere Ozeane

Wasser besteht aus dem am häufigsten vorhandenen Element Wasserstoff und Sauerstoff, der in der Verbreitung Rang drei einnimmt. Im Weltall existiert Wasser meist in Form von winzigen Körnern, Klumpen, hauchdünnen Schichten auf interstellaren Staubpartikeln oder von sehr dünn verteiltem Gas. Damit flüssiges Wasser entsteht, das auf der Erde Leben ermöglicht hat, müssen gasförmige Wassermoleküle bei der richtigen Temperatur durch Schwerkraft zusammengedrückt werden. Dafür ist im Allgemeinen die Nähe eines Sterns erforderlich – die ansonsten aber weniger angenehm sein kann.

Die brutal helle Lichtausstrahlung beim ersten Aufleuchten unserer Sonne vor 4,5 Milliarden Jahren trennte die Komponenten einer Scheibe aus Gas und Staub, die sich um sie drehte und zum Großteil aus noch viel älterer Materie von interstellaren Staubwolken bestand. Diejenigen Substanzen mit den höchsten Schmelzpunkten kondensierten in der Nähe der Sonne und bildeten so das Rohmaterial für die felsigen Planeten. Die restlichen Stoffe einschließlich Wasserdampf wurden vermutlich weiter weggeschleudert und kondensierten in sonnenferneren, kälteren Umfeldern. Erst hinter einer „Schneegrenze“, auf der heute in etwa Jupiter kreist, bildeten sich mit diesem Wasser eisige Planeten und Kometen.

Hier stößt man auf das erste große Rätsel. Die Erde entstand innerhalb der Schneegrenze des Sonnensystems. Wie also hat sie ihr Wasser bekommen? Vielleicht konnten die zusammenprallenden Gesteinsbrocken, aus denen sie sich bildete, trotz der bei diesem gewaltsamen Prozess auftretenden Hitze etwas Wasser in sich bewahren. Später haben Vulkane dieses Wasser als Dampf freigegeben, woraufhin es dann in der dichten Uratmosphäre zu Regen kondensierte. Vielleicht stammen die Ozeane aber auch aus Regionen jenseits des Himmels: Sie könnten mit Kometen und Meteoriten, die sich hinter der Schneegrenze bildeten, auf die frühe Erde gekommen sein.

Kometeneinschlag

Wie auch immer sie entstanden sind, die Ozeane existieren seit mindestens 3,8 Milliarden Jahren, wie die ältesten im Wasser abgelagerten Gesteinsschichten verraten. Wie die Erde es hinbekommen hat, ihre Ozeane so lange zu behalten, ist ein zweites großes Rätsel.

Es wird noch wundersamer, wenn man berücksichtigt, wie wenig Wasser sich auf unserem Planeten befindet. Denn die Vorstellung von der Erde als blauem Planeten ist etwas irreführend. Der Erdmittelpunkt befindet sich rund 6400 Kilometer unter uns, die Ozeane aber sind im Durchschnitt nur knapp vier Kilometer tief, ihr tiefster Punkt liegt bei rund elf Kilometern. Die Wasserflächen der Erde sind ein feuchter Oberflächenfilm, der im Vergleich dünner ist als die Schale eines Apfels.

Fische und Wassermoleküle
Ein Blick auf unsere Nachbarn Mars und Venus zeigt, wie viel Glück die Erde hatte. Auch auf ihnen gab es in früher Zeit Oberflächenwasser, vielleicht sogar große Ozeane. Auf dem gefrorenen Mars sehen wir heute mehr als drei Milliarden Jahre alte Küstenlinien und entdecken Tonmineralien, die sich nur unter Einwirkung von flüssigem Wasser bilden. Der rote Planet hat früh den Großteil seiner Atmosphäre verloren, der Wasserdampf konnte ins All entweichen. Die Venus wiederum ist heute ein Inferno, umgeben von tödlichen Wolken aus Schwefelsäure. Aber die Daten von Raumsonden zeigen, dass sich einst auch hier reichlich flüssiges Wasser befand – bis steigende Konzentrationen an Wasserdampf und Kohlendioxid einen sich selbst verstärkenden Treibhauseffekt auslösten, der es verkochen ließ.

Was ist auf der Erde anders gelaufen? Entscheidend war wahrscheinlich die Plattentektonik. Die Bewegungen der Segmente der obersten Erdschicht sind, soweit bekannt, unter den felsigen Planeten des Sonnensystems einzigartig. Sie stoßen gegeneinander, türmen sich auf, steigen hoch oder dringen nach unten in den heißen Erdmantel ein. Auch auf dem Mars gibt es Anzeichen für die Anfänge einer solchen Tektonik, die aber nur von kurzer Dauer gewesen sein kann. Auf der Erde entstanden durch tektonische Bewegungen natürliche Vertiefungen: Ozeanbecken mit einem Fundament aus dichter, neu geformter Erdkruste mit tiefem Wasser und flachere Meere auf der leichteren, älteren Kontinentalkruste. Dort, wo Erdplatten aufeinandertreffen, ist der Boden dieser Becken rissig, mit Wasser gesättigte Platten tauchen in den Erdmantel ab. Dieses Wasser wird größtenteils in Form von Dampf aus vulkanischen Bergketten wieder ausgestoßen.

Plattentektonik

Dieser ständige Wasserkreislauf sowie die seltene Kombination aus nassen und trockenen Oberflächen spielen die entscheidende Rolle. Aus den Ozeanen verdampfendes Wasser kondensiert als Regen und wirkt sich chemisch auf das Land aus, sodass sich die Zusammensetzung der Atmosphäre und die globale Temperatur verändern. Die so gebildete Atmosphäre hat sozusagen einen Deckel – eine „Kältefalle“ in Form der kalten Stratosphäre, in der Wasserdampf vereist und deshalb nicht ins All entkommen kann. Unter diesem Deckel existieren seit Langem alle drei Phasen von Wasser gleichzeitig: fest, flüssig und gasförmig. Das kennen wir von keinem anderen Planeten.

Damit die bemerkenswerte planetarische Maschine Plattentektonik funktioniert, braucht sie selbst Wasser – es schmiert die abrutschenden tektonischen Platten und weicht die Mantelmaterialien auf, sodass sie leichter schmelzen. Der Geochemiker Francis Albarède von der Ecole Normale Supérieure in Lyon glaubt, dass Wasser, das aus dem All auf die Erde gelangt ist, den Motor der Tektonikmaschine vor drei Milliarden Jahren in Gang gebracht hat. Falls es so war, könnte Wasser die einzigartigen Bedingungen für sein Fortbestehen auf der Erde selbst geschaffen haben.

Diese besondere Plattentektonik hat auch die Regulierung des Salzgehalts in den Ozeanen ermöglicht. Salze werden erst aus verwitterten Felsen ins Meer gespült und dann den Meeren von Zeit zu Zeit in gewaltigen Mengen wieder entzogen. Die jüngste dieser „Salinitätskrisen“ ereignete sich vor sechs Millionen Jahren, als sich die Straße von Gibraltar durch tektonische Bewegungen verschloss. Im Verlauf von einer Million Jahren verdampfte das Mittelmeer und ließ eine drei Kilometer dicke Schicht aus festem Salz in einer blendend hellen, kochend heißen und giftigen Wüste zurück. Bis das Wasser wiederkam, verschwanden auf diese Weise rund fünf Prozent des weltweiten Meeressalzes wieder im Gestein.

Salinitätskrise

Die Ozeane der Erde sind im Laufe der geologischen Zeitalter also wahrscheinlich etwas weniger salzig geworden, anstatt sich durch ständige Salzzufuhr zu einer immer stärkeren Sole zu entwickeln. Zum Glück für uns – immer salzigeres Wasser hätte die Osmosemechanismen biologischer Zellen zerstört. Und das hätte die Weiterentwicklung von Leben, das sich 90 Prozent seiner Zeit auf der Erde über im Wesentlichen in den Meeren abspielte, stark beeinträchtigt.

So aber entwickelten sich die Meere und das Leben in einem langen, turbulenten Prozess gemeinsam. Das Aufkommen der Fotosynthese bedeutete, dass sich ein gefährliches, aber energiereiches Element allmählich in den Ozeanen ausbreitete: Sauerstoff. Sauerstoff reinigte auch die Wassermassen von Milliarden Tonnen an gelöstem Eisen, indem es mit dem Metall unlösliche Oxide bildete. In einer bestimmten Phase, auch genannt „die langweilige Milliarde“, waren die Ozeane voller Sulfid, weil Mikroben die Sauerstoffatome von Sulfat-Ionen abspalteten; durch diesen Prozess wurden Mikronährstoffe gebunden, und die Evolution kam fast zum Stillstand. Doch das erwies sich nur als ein kleiner Schluckauf. Die Zufuhr von Sauerstoff setzte sich fort, und die Evolution nahm wieder Fahrt auf. Schließlich entwickelten sich Lebensformen mit mehreren Zellen.

Mars Rover
Konnte das Leben auch auf unseren heute meereslosen Nachbarplaneten seine ersten Schritte machen? Auf der Venus wäre die Suche nach Fossilien schwierig, ungefähr alle 500 Millionen Jahre wird ihre Kruste durch riesige Magmaergüsse erneuert. Auf dem Mars müssen wir abwarten, was die mit jeder Generation besser ausgestatteten Rover dort finden. Vielleicht werden sie auf Spuren früheren Lebens stoßen, vielleicht sogar auf ein paar zähe Mikroben, die noch in den feuchten Stellen nahe der Oberfläche schlummern.

Das bringt uns zu den anderen Ozeanen des Sonnensystems. Inzwischen wissen wir, dass es dort Gebilde aus flüssigem Wasser gibt, die größer sind als die Erde. Anders, als man erwarten würde, befinden sie sich jedoch weit hinter der Schneegrenze, inmitten der außergewöhnlichen Ansammlung an Monden um Jupiter und Saturn herum. Bei diesen Himmelkörpern handelt es sich keineswegs um langweilige Kugeln aus reaktionsträgem Fels oder Eis, wie man früher dachte.

Diese weit entfernten, untergründigen Ozeane bilden sich durch die Kraft der Gezeiten. Fast eine Milliarde Kilometer von uns entfernt entsteht Hitze durch die Gravitation zwischen dem gewaltigen Planeten Jupiter und seinem Mond Europa. Dadurch schmilzt auf dem Mond Eis zu einem Ozean von vielleicht 100 Kilometer Tiefe, gelegen unter einer Mosaikkruste aus Eis, die möglicherweise sogar so etwas wie Plattentektonik ermöglicht. Auch der Schwestermond Kallisto könnte einen inneren Ozean haben, der sich aber unter dickerem, älterem, verkratertem Eis befände; das Gleiche könnte für noch einen weiteren Jupitermond, Ganymed, gelten.

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Der Mond Titan, der den Saturn umkreist, ist der einzige Ort in unserem Sonnensystem, der wie die Erde reichlich Oberflächenflüssigkeit aufweist. Auf ihm gibt es Seen aus Kohlenwasserstoffen wie Methan, Propan und Ethan, die bei Oberflächentemperaturen unter minus 170 Grad Celsius flüssig bleiben. Ölbarone würden hier wuschig werden: Allein der See mit dem schönen Namen Kraken Mare hat einen Durchmesser von 1000 Kilometern.

Doch auf Titan gibt es auch einen tief liegenden, durch Gezeitenkraft erzeugten Ozean aus Wasser, durch eine Schicht Eis abgeschottet von der weiter draußen herrschenden Kälte. Enceladus, ein weiterer Saturnmond, hat vermutlich ebenfalls verborgene Ozeane – jedenfalls schießen immer wieder Wasserfontänen aus ihm hervor. Und erst vor einigen Monaten zeigten Daten der Nasa-Mission Cassini, dass mit Mimas ein weiterer Mond des Saturn einen inneren Ozean beherbergen könnte.

Noch weiter draußen gibt es noch mehr Wasser – aber fast immer in Form von Eis, oft durchmischt mit Stickstoff und Ammoniak. Der letzte der flüssigen Wasserozeane unseres Sonnensystems könnte unter der dicken Eiskruste des Neptunmondes Triton liegen, mit Ammoniak als Frostschutzmittel. Wenn es bei den anderen Himmelskörpern so weit draußen zu genügend Erwärmung kommt, schmilzt deren Eis zwar nicht richtig, kann aber in Form eines Eisvulkans an die Oberfläche gepresst werden.

Wenn man für Titan mit zwei Ozeanen rechnet, dann gibt es in unserem Sonnensystem bis zu neun davon, die meisten davon weit entfernt, dunkel und versteckt. Könnte in ihnen Leben existieren?

Möglicherweise. Doch weil die Meere unter der Oberfläche liegen, müsste es hier in der kalten Dunkelheit einen Stoffwechsel ohne Sauerstoff geben. Viele irdische Bakterien machen allerdings genau das – in der ersten Milliarde Jahre der Erdbiosphäre gab es auch darin noch keinen Sauerstoff. Und wenn wir über Mikroben etwas wissen, dann das: Sie sind sehr gut darin, mit schwierigen Bedingungen und Nährstoffknappheit zurechtzukommen.

Aber wie salzig sind diese tief gelegenen Ozeane, welche Strömungen gibt es darin, und wie interagieren sie mit dem angrenzenden Gestein und Eis? Lagern sich auf ihrem Boden Sedimentschichten ab? Diese Fragen haben immense Bedeutung für die Entstehung von Leben, und direkte Messungen dazu sind nicht möglich.

Einige Antworten könnte die Erde selbst liefern. Denn ihre Ozeane sind zwar schon seit Langem sehr stabil – es gab aber Zeiten, in denen sie abwechselnd zugefroren waren, dann wieder eisfrei, dann ruhig, dann wild und wahrscheinlich kochend heiß. Fossilfunde aus diesen frühen Zeiten verraten also möglicherweise einiges darüber, wie Ozeane anderswo in unserem Sonnensystem funktionieren. Und dass sich das Leben in unseren Ozeanen über all diese Phasen halten konnte, ist zumindest ein gutes Omen dafür, dass auch anderswo im All Leben möglich ist.

Kälte- und Hitzephasen der Erde
In den letzten zwei Jahrzehnten wurden reichlich neue Planeten und Sonnensysteme entdeckt, die viele Überraschungen bargen. Es gibt „heiße Jupiter“ – Gasriesen, die bizarr nah um ihre Sterne kreisen – und felsige „Super-Erden“ mit weitaus mehr Masse als unsere eigene. Viele Planeten haben eigenartige, verschlungene Umlaufbahnen, die sich deutlich von den Kreisbahnen in unserem Sonnensystem unterscheiden. Unsere Perspektive ist verzerrt, denn es ist einfacher, große Planeten zu entdecken, die besonders nahe um ihre Sterne kreisen. Trotzdem kann als ausgemacht gelten: Unser Sonnensystem ist nicht der Normalfall. Also dürften sich auch die im Universum verteilten Ozeane unterschiedlich verhalten.

Es gibt einige Kandidaten für Wasserwelten. Die Super-Erde 55 Cancri e hat eine Dichte, die auf eine Wasserhülle schließen lässt; jedoch kreist sie so nah um ihren Stern, dass es sich wahrscheinlich um superkritisches Wasser handelt – nicht flüssig, aber auch kein richtiger Dampf, eher so etwas wie der superheiße Dampf, mit dem Kaffeebohnen entkoffeiniert werden. Ein weiterer großer und heißer Planet mit geringer Dichte ist GJ 1214 b. Er könnte eine echte Wasserwelt sein, bei der der Druck in den 1000 Kilometer tiefen Ozeanen aus heißem Wasser heißes Eis macht. Keine dieser beiden Umgebungen erscheint sonderlich geeignet für Leben, wie wir es kennen.

Die Suche nach erdähnlichen Ozean-Planeten, die genau richtig in der Nähe ihrer Schneegrenze liegen, war bislang erfolglos. Vielleicht wird sich das ändern, wenn im Jahr 2018 das James Webb Space Telescope der Nasa startet. Wahrscheinlicher ist aber, dass es auf kleinere, von Gezeitenkraft aufgewärmte Monde stoßen wird, von denen es viele geben dürfte.

James Webb Teleskop

Myxozän
Wir leben in einer Zeit mit immer mehr, aber noch immer lückenhaften Informationen. Alle Anzeichen sprechen dafür, dass die langlebigen, stabilen Meeresoberflächen unserer Erde eher die Ausnahme als die Regel sind – und dass sie nur noch rund eine Milliarde Jahre lang existieren werden. Dann wird die Sonne sie so sehr aufgeheizt haben, dass die Wassermassen verdampfen, die Kältefalle der Stratosphäre durchdringen und ins All verschwinden. Die Erde wird dann ein trockener, toter Stein sein, auf dem mangels Schmiermittel auch die Plattentektonik zum Erliegen kommt. Ein öder Planet.

Vielleicht kommt es auch schneller dazu. Die letzte Milliarde Jahre ihrer Existenz hat für unsere Ozeane schlecht begonnen: Überfischung, Plastikmüll, rapide Erderwärmung und Versauerung. Mit etwas Pech erleben wir noch den Anbruch des „Myxozän“. So bezeichnet der Biologe Daniel Pauly seine Horrorvision eines Erdzeitalters mit immer sauerstoffärmeren Ozeanen, in denen nur noch Bakterienschleim und Quallen gedeihen – ein wahrhaft trauriges Ende für eine im Universum seltene Glücksgeschichte.

Jan Zalasiewicz und Mark Williams sind Planetenforscher an der Universität Leicester in Großbritannien und Autoren des Buchs Ocean Worlds: The story of seas on Earth and other planets (Oxford University Press, 2014).