Die Ausgangsfrage: Woher kommt das Wasser – und wie blieb es überhaupt da?

Vor etwa 4,6 Milliarden Jahren war die Erde über lange Zeiträume hinweg ein extrem heißer Planet. Große Teile ihrer Oberfläche waren von einem globalen Magmaozean bedeckt, in dem flüssiges Wasser keinen Bestand haben konnte. Dennoch besitzt die Erde heute ausgedehnte Ozeane. Wie Wasser diese frühe, lebensfeindliche Phase überstanden hat, zählt zu den zentralen Fragen der Geowissenschaften.

Eine neue Studie liefert nun einen möglichen Teil der Antwort: Wasser könnte frühzeitig im tiefen Erdinneren gespeichert worden sein – gebunden an Minerale des unteren Erdmantels – und so der vollständigen Verdampfung entgangen sein.

Der Schlüssel heißt Bridgmanit – ein Mineral als Wasserspeicher

Im Fokus der Untersuchung steht das Mineral Bridgmanit. Es ist der mengenmäßig wichtigste Bestandteil des unteren Erdmantels und bildet sich unter extrem hohem Druck und hohen Temperaturen. Die neue Arbeit zeigt, dass Bridgmanit während der Abkühlung des frühen Magmaozeans Wasser aus der umgebenden Schmelze aufnehmen konnte.

Dabei handelt es sich nicht um eingeschlossenes Wasser im klassischen Sinn, sondern um Wasserstoff, der strukturell in das Kristallgitter des Minerals eingebaut wird. Frühere Studien hatten Bridgmanit als nahezu wasserfrei eingeschätzt. Die neuen Ergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass diese Einschätzung vor allem auf zu niedrigen experimentellen Temperaturen beruhte.

Was die neuen Experimente anders machen

Die Forscherinnen und Forscher simulierten Bedingungen des frühen unteren Erdmantels mit Hochdruck- und Hochtemperaturexperimenten. Entscheidend war, dass sie deutlich höhere Temperaturen erreichten als in vielen früheren Untersuchungen. Unter diesen Bedingungen zeigte sich, dass Bridgmanit erheblich mehr Wasser aufnehmen kann als bislang angenommen.

Ein zentrales Ergebnis ist die starke Temperaturabhängigkeit dieses Effekts: Je heißer die Umgebung, desto mehr Wasser wird bevorzugt im Mineral gebunden. Für die frühe Erde, deren Mantel deutlich heißer war als heute, hätte dies weitreichende Konsequenzen.

Ein möglicher „Ozean im Mantel“

Auf Basis der experimentellen Daten entwickelten die Autorinnen und Autoren Modelle zur Kristallisation des frühen Magmaozeans. Diese legen nahe, dass der untere Erdmantel zu einem bedeutenden Wasserspeicher geworden sein könnte, sobald die Schmelze zu erstarren begann.

Je nach Modellannahmen könnte die im Mantel gebundene Wassermenge zwischen einem Bruchteil und in der Größenordnung des heutigen Ozeanvolumens gelegen haben. Die Spannbreite ist groß und spiegelt die Unsicherheiten wider, etwa hinsichtlich der ursprünglichen Wassermenge der Erde und der genauen Abfolge der Abkühlungsprozesse. Dennoch verschiebt die Studie die bisherige Vorstellung deutlich: Ein großer Teil des irdischen Wassers könnte zeitweise tief im Inneren verborgen gewesen sein.

Bedeutung für die Entwicklung eines bewohnbaren Planeten

Wasser im Erdmantel ist nicht nur ein geochemisches Detail. Es beeinflusst die physikalischen Eigenschaften von Gesteinen, etwa ihre Schmelztemperatur und ihre Zähigkeit. Ein wasserreicher Mantel könnte die Mantelkonvektion erleichtert und damit langfristig Prozesse wie Vulkanismus und Plattentektonik begünstigt haben – zentrale Voraussetzungen für den Stoffkreislauf zwischen Erdinnerem, Oberfläche und Atmosphäre.

Zugleich ist Wasser im Mantel kein endgültig verlorener Vorrat. Über geologische Zeiträume kann es durch Aufschmelzungsprozesse und Vulkanismus wieder an die Oberfläche gelangen. In diesem Szenario wäre der Mantel eine Art Zwischenspeicher gewesen, der das Wasser der frühen Erde konservierte und später schrittweise freisetzte.

Einordnung: Gesichert, plausibel – aber noch nicht endgültig

Gesichert ist, dass Bridgmanit unter sehr heißen Bedingungen mehr Wasser aufnehmen kann als lange angenommen. Ebenfalls gut begründet ist die Schlussfolgerung, dass der frühe Erdmantel damit prinzipiell als großer Wasserspeicher fungieren konnte.

Offen bleibt, wie groß dieser Speicher tatsächlich war und wie dominant dieser Mechanismus im Vergleich zu anderen Quellen des Erdwassers ist, etwa der Lieferung durch wasserreiche Asteroiden. Die neue Studie widerspricht diesen Szenarien nicht, ergänzt sie aber um einen wichtigen inneren Speicherprozess.

Damit liefert die Arbeit keinen endgültigen Beweis, wohl aber einen überzeugenden physikalisch-chemischen Mechanismus. Sie zeigt, dass ausgerechnet die extremen Bedingungen der frühen Erde dazu beigetragen haben könnten, die Voraussetzung für eine spätere Wasserwelt – und letztlich für Leben – zu schaffen.