Wie Wasser auf Eisplaneten den felsigen Untergrund auslaugt

Laborexperimente erlauben Einblicke in die Prozesse unter den extremen Druck- und Temperatur-Bedingungen ferner Welten.

Was passiert unter der Oberfläche von Eisplaneten? Gibt es dort flüssiges Wasser – und wenn ja, was macht es mit dem planetaren "Meeresboden"? Neue Experimente zeigen, dass auf Wassereisplaneten von der Größe unserer Erde bis zum Sechsfachen dieser Größe das Wasser Magnesium aus typischen Gesteinsmineralien auslaugt. Die Bedingungen mit Drücken von hunderttausend Atmosphären und Temperaturen über tausend Grad Celsius wurden in einem Labor nachgebildet und ahmten Planeten nach, die ähnlich wie Neptun und Uranus sind, nur kleiner.

Die Mechanismen der Wechselwirkung zwischen Wasser und Gestein an der Erdoberfläche sind gut bekannt. Auch das Bild des komplexen Kreislaufs von H2O im tiefen Inneren unseres und anderer terrestrischer Planeten wird immer besser. Wir wissen jedoch nicht, was an der Grenzfläche zwischen heißem, dichtem Wasser und der tiefen Gesteinshülle von Wassereisplaneten bei Drücken und Temperaturen passiert, die um tausende Male höher sind als am Boden der tiefsten Ozeane auf der Erde. In unserem Sonnensystem sind Neptun und Uranus als Eisriesen klassifiziert; sie haben eine dicke äußere Wassereisschicht über einer tiefen Gesteinsschicht. Es ist nach wie vor offen, ob die Temperatur an der Grenzfläche hoch genug ist, um flüssiges Wasser zu bilden.

Ein internationales Team von Forschenden unter der Leitung von Taehyun Kim von der Yonsei-Universität in Seoul, Korea, zu dem auch Wissenschaftler*innen der University of Arizona, des DESY, des Argonne National Laboratory und Sergio Speziale vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ gehörten, führte sowohl an PETRA III (Hamburg) als auch an der Advanced Photon Source (Argonne, U. S.A.) eine Reihe von anspruchsvollen Experimenten durch, die zeigen, wie Wasser bei Drücken zwischen 20 und 40 Gigapascal (GPa) Magnesiumoxid (MgO) aus bestimmten Mineralen, nämlich Ferropericlase (Mg,Fe)O und Olivin (Mg,Fe)2SiO4, stark auslaugt. Dies entspricht dem 200.000- bis 400.000-fachen des Atmosphärendrucks auf der Erde und Versuchstemperaturen über 1500 K (zirka 1230 °C), Bedingungen, wie sie in den tiefen Ozeanen an der Grenze zum Gestein der Sub-Neptun-Eisplaneten vorherrschen. Sergio Speziale sagt: "Diese Erkenntnisse eröffnen neue Szenarien für die thermische Entwicklung großer eisiger Planeten wie Neptun und Uranus." Die Ergebnisse der Studie sind in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.

Winzige Kügelchen aus entweder Ferropericlase oder Olivinpulver wurden zusammen mit Wasser in eine winzige Probenkammer (weniger als ein Millimeter Durchmesser) geladen, die in eine Metallfolie gebohrt war, und mit Hilfe einer Diamant-Stempel-Zelle (DAC) zwischen zwei fehlerfreie Diamanten gepresst. Die Proben wurden durch einen Infrarot-Laser erhitzt. Die Synchrotron-Röntgenbeugung wurde verwendet, um die Umwandlung und den Zerfall von Mineralien zu bestimmen, die durch Reaktionen mit Wasser induziert wurden. Eine plötzliche Intensitätsabnahme des Beugungssignals der Ausgangsminerale und das Auftreten neuer fester Phasen, einschließlich Brucit (Magnesiumhydroxid), wurden über volle Heiz- und Abschreckungszyklen hinweg beobachtet. Sergio Speciale erklärt: "Dies zeigte den Beginn chemischer Reaktionen und die Auflösung der Magnesiumoxid-Komponente sowohl von Ferropericlase als auch von Olivin; die Auflösung war am stärksten in dem Druck-Temperatur-Bereich zwischen 20 bis 40 Gigapascal und 1250 bis 2000 Kelvin." Die Details des Reaktionsprozesses und die daraus resultierende chemische Entmischung von MgO aus den Restphasen wurden durch eine sorgfältige Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Röntgenspektroskopieuntersuchungen der gewonnenen Proben bestätigt. "Bei diesen extremen Drücken und Temperaturen erreicht die Löslichkeit von Magnesiumoxid in Wasser ähnliche Werte wie die von Salz bei Umgebungsbedingungen", sagt Sergio Speciale.

Die intensive Auflösung von Magnesiumoxid an der Grenzfläche zwischen dem Wasser und dem darunter liegenden Gesteinsmantel könnte nach Ansicht der Forschenden bei wasserreichen Sub-Neptun-Exo-Planeten – zum Beispiel TRAPPIST-1f, der eine entsprechende Größe und Zusammensetzung hat – chemische Gradienten in den frühen heißen Phasen der Planetengeschichte erzeugen. Diese Gradienten, also eine unterschiedliche Verteilung von Magnesiumoxid am planetaren Meeresgrund, könnten teilweise über die lange Abkühlungsphase hinweg erhalten bleiben. Spuren von anfänglichen, relativ geringen Wechselwirkungen zwischen Wasser und Gesteinsmaterial während der planetaren Akkretion könnten auch bei Eisplaneten von der Größe des Uranus über Milliarden von Jahren erhalten bleiben.
 

Originalstudie:
Atomic-scale mixing between MgO and H2O in the deep interiors of water-rich planets; Taehyun Kim, Stella Chariton, Vitali Prakapenka, Anna Pakhomova, Hanns-Peter Liermann, Zhenxian Liu, Sergio Speziale, Sang-Heon Shim, and Yongjae Lee; „Nature Astronomy“, 2021. DOI: 10.1038/s41550-021-01368-2
Link: https://www.nature.com/articles/s41550-021-01368-2

 


Wissenschaftlicher Kontakt:
Dr. Sergio Speziale
Wissenschaftler
Chemie und Physik der Geomaterialien
Telegrafenberg
14473 Potsdam
Tel.: +49 331 288-1848
E-mail: sergio.speziale@gfz-potsdam.de


Medienkontakt:
Dr. Uta Deffke
Referentin Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Helmholtz-Zentrum Potsdam
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Telegrafenberg
14473 Potsdam
Tel.: +49 331 288-1049
E-Mail: uta.deffke@gfz-potsdam.de

 

Weitere Meldungen

DEUQUA Logo mit Mammut und Friedenstaube

DEUQUA 2022 Konferenz am GFZ

PAW Logo

Postdoc Appreciation Week

Gebäude im Winter aufgenommen, Isaac Newston Institut

Simons Stipendium für Dr. Monika Korte

Die Verteilung der seismischen Stationen auf einer Karte der Region.

Wie tief schläft der Eifel-Vulkanismus?

Geomagnetisches Feld im die Erde. Weltraum mit Sternen, Erde mit Animation herum

GFZ Film unter den Finalisten des Earth Futures Festivals 2022

Strahlungsgürtel der Erde: Hochenergetische Teilchen modelliert um die Erde. Die Teilchen sind ringförmig

Neue Population von Teilchen in den Strahlungsgürteln der Erde

Die teilnehmenden GFZ Mitarbeiter als Gruppenfoto

2. proWissen-Lauf in Potsdam mit erfolgreicher Teilnahme von GFZ-Mitarbeitenden

Die Gruppe am ersten Arbeitstag.

Neue Gesichter am GFZ – Beginn des Ausbildungsjahres 2022/2023

abgeholzter Wald neben einer Straße

Mehr als 90 Prozent der Abholzung der Tropenwälder ist auf die Landwirtschaft…

Gruppenfoto: Menschen auf der Dachterrasse eines Hauses

2. Internationales Symposium der Internationalen Assoziation für Geodäsie

Foto eines Bergs mit darüber gelegter Skizze des geologischen Profils.

Wie mächtig sollte Ton als Wirtsgestein für ein Endlager sein?

Weiße Punkte unterschhiedlicher Dicke in hexagonalem Muster auf schwarzem Grund.

Synthese von hexagonalem SiGe-Halbleiter mittels hohem Druck und hoher Temperatur

Erdrutsch an einem Abhang direkt an einer Siedlung mit kleinen Häusern.

Erdrutsche bedrohen zunehmend die armen Städte der Welt

In einem Aquarium vermengen sich verschieden farbige Flüssigkeiten. Ein Kind sieht zu.

Aufholen nach Corona: GEOtogether bringt Schüler:innen Freude am gemeinschaftlichen…

Eine Frau und ein Mann stehen auf einer Bühne und halten gemeinsem ein Bild mit einer eingefärbten Landkarte der Türkei.

Vier Jahrzehnte gemeinsame türkisch-deutsche Erdbebenforschung

Egon Althaus um einen Tisch sitzend mit Kollegen draußen im Freien auf einem Projekt

Wir trauern um Egon Althaus (1933-2022)

Ausgetrockneter Stausee.

Überschwemmungen und Dürreperioden nie dagewesenen Ausmaßes

Zeichnung eines fiktiven, historischen Tauchbootes.

Elf Kurzforschungsaufenthalte mit Beteiligung des GFZ gefördert

Bohrplattform auf dem See Junin with mehreren Personen

Tropische Gletscher folgten dem Rhythmus der Ausdehnung des Inlandeises auf der…

Schematische Darstellung des VECTOR-Projektes: Ein großer Pfeil mit verschiedenen Ebenen - von Erdoberfläche bis in den Untergrund.

Effizientere Rohstoff-Exploration in Europa

Hoby Razafindrakoto

Projekt zum Aufbau eines seismologischen Labors in Madagaskar von Dr. Razafindrakoto…

3D Erde digital in der Nacht

Open-Earth-Monitor zur Nutzung von open-source Umweltdaten startet

Der von Überflutung zerschnittene Damm der Steinbachtalsperre in der Eifel.

Hochwasserrisikomanagement nach dem Eifel-Hochwasser im Juli 2021

Gruppenbild der Cermak7 Konferenz vor dem Museum Barberini in Potsdam.

Internationale Wärmestromkonferenz und Workshop in Potsdam

Castor Platform im Ozean. Ruhige See.

Befüllung von geologischen Gaslagerstätten: Ursachenforschung beim wichtigsten Ereignis…

Menschen sitzen in einem Raum auf Stühlen im Kreis.

GFZ PhD-Days

Jeffrey Perez steht vor dem Logo der Tagung

Zwei GFZ-Forschende nehmen an der 71. Lindauer Nobelpreisträgertagung teil

Junge Frau steht mit Urkunde in der Hand in einer Halle vor dem Schriftzug EAGE

Best Paper Award für Evgeniia Martuganova

Vier Personen halten einen großen goldenen Schlüssel vor einem Wohnhaus

Wohnraum für Gastwissenschaftler:innen

Taucher

Förderung der Grundlagenforschung zur festen Erde

zurück nach oben zum Hauptinhalt