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Extremes Wasser

Phase diagram of water shows the numerous ice phases at high pressures and low temperatures and the region of interest for this study (i.e., high temperatures and high pressures). Oxygen XRS K-edge spectra were recorded at the pressure and temperature values indicated by colored stars. (Inset) Schematic drawing of the HDAC. (Lower) Photographs of the water sample in the HDAC at different temperatures and pressures are shown to demonstrate the visual control of the sample, exemplified by a measurement of the homogenization temperature of a vapor bubble and liquid, which is used to determine the density and pressure.

13.03.2013 | Potsdam: Die Erde ist der einzige uns bekannte Planet, der Wasser in gewaltigen Mengen und in allen drei Phasenzuständen aufweist. Aber der irdische Allerweltsstoff Wasser hat sehr ungewöhnliche Eigenschaften, die dann zutage treten, wenn man ihn unter hohen Druck und hohe Temperaturen bringt. Eine deutsch-finnisch-französische Forschergruppe veröffentlichte in der neuen Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Science (PNAS), was geschieht, wenn man Wasser unter Druck- und Temperaturbedingungen bringt, wie sie in der tiefen Erde herrschen. Bei Drücken über 22 MPa und Temperaturen über 374°C, jenseits des kritischen Punktes, wird Wasser zu einem sehr aggressiven Lösungsmittel, ein Umstand, der entscheidend für die Physikochemie des Erdmantels und der Erdkruste ist. 

Ohne Wasser im Erdinneren gäbe es keine Stoffkreisläufe und keine Tektonik. Aber wie das Wasser im oberen Erdmantel und in der Erdkruste wirkt, ist immer noch Gegenstand intensiver Forschung“, sagte Dr. Max Wilke vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ, der zusammen mit seinem Kollegen Dr. Christian Schmidt und einem Team der TU Dortmund die Experimente durchführte. Die Forschergruppe brachte dazu das Wasser ins Labor. Zunächst wurde die mikroskopische Struktur von Wasser in Abhängigkeit von Druck und Temperatur experimentell mithilfe von Röntgen-Raman-Streuung untersucht. Dazu wurde die Diamantstempelzellen des GFZ an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF in Grenoble benutzt, in denen sehr kleine Wasserproben eingeschlossen, geheizt und auf immer höhere Drücke gebracht wurden. Die Analyse der Daten erfolgte mit Hilfe von molekulardynamischen Simulationsrechnungen durch den GFZ-Wissenschaftler Dr. Sandro Jahn. 

Die Studie zeigt, dass die Struktur des Wassers sich kontinuierlich von einer geordneten vernetzten Struktur zu einer ungeordneten, gering vernetzten Struktur bei überkritischen Bedingungen entwickelt“, erläutert Max Wilke. „Die Kenntnis dieser strukturellen Eigenschaften des Wassers in der tiefen Erde ist eine wichtige Grundlage zum Verständnis von chemischen Verteilungsprozessen in metamorphen und magmatischen Prozessen.“ Die Studie ermöglicht eine bessere Abschätzung des Verhaltens von Wasser unter Extrembedingungen bei geochemischen und geologischen Prozessen. Man nimmt an, dass die besonderen Eigenschaften von überkritischem Wasser auch das Verhalten von Magma steuern. 

Sahle Ch. J., Sternemann C., Schmidt C., Lehtola S., Jahn S., Simonelli L., Huotari S., Hakala M., Pylkkänen T., Nyrow A., Mende K., Tolan M., Hämäläinen K., Wilke M. (2013) Microscopic structure of water at elevated temperatures and pressures.

PNAS, http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1220301110

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