Die Ozeane der Erde

Professor ROS E. M. RICKABY

Fakultät für Geowissenschaften, Universität Oxford

Die Erde - unser Blauer Planet - ist in unserem Sonnensystem ungewöhnlich, weil fast drei Viertel der Oberfläche von Meeren bedeckt sind. Doch warum gibt es unsere Ozeane? Interessanterweise kamen die Meere der Erde aus dem Weltraum. Als die Erde entstand, war sie viel zu heiß für die Kondensation von Wasser. Doch ähnlich, wie hohe Berge eine Schneekuppe am Gipfel über der »Schneelinie« haben, weil die Lufttemperatur mit der Höhe abnimmt, bis irgendwann der Schnee liegen bleibt, nahm auch im Sonnensystem die Temperatur mit der Entfernung von der Sonne ab, und es gab eine Schneelinie fern der heißen frühen Sonne.

Temperaturen, die niedrig genug für die Entstehung von Eiskristallen waren, herrschten erst weit draußen im Sonnensystem, im Asteroidengürtel irgendwo zwischen Mars und Jupiter. Die Ozeane der Erde müssen also ihren Ursprung außerhalb der Erde haben. Viele Forscher sind der Meinung, dass unsere Ozeane auf Schauer von Kometen oder wasserreiche Meteoriten aus dem Asteroidengürtel zurückzuführen sind, die die frühe Erde bombardierten.

Seit damals wurden diese außerirdischen Wassermoleküle weder zerstört noch neu geschaffen! In den folgenden 3,8 Milliarden Jahren (denn der früheste Hinweis auf flüssiges Wasser stammt aus Sedimentgesteinen mit diesem Alter aus Südwestgrönland) wurden die Ozeane auf der Erdoberfläche festgehalten. Das Wasser durchläuft dabei jedoch zwei Kreisläufe.

Erstens verwandelt die Wärme der Sonne in den Tropen einen Teil der Meere in Wasserdampf (fast wie der, den man über einem Kochtopf oder einer Dampfmaschine sehen kann), der Wolken bildet. Der Dampf kondensiert zu Tröpfchen, die als Regen wieder herabfallen und auf dem Land in Bächen und Flüssen zurück zum Meer strömen.

Zweitens sickern kleine Mengen durch Tiefseerinnen auf der ozeanischen Erdkruste tief ins Innere der Erde. Dieses Wasser kommt durch Vulkane oder heiße Quellen zur Oberfläche zurück.

Die Wassermoleküle, die bei uns zu Hause aus dem Wasserhahn kommen, haben jede Sekunde der Erdgeschichte miterlebt, von der Zeit vor Beginn des Lebens bis zu den vielzelligen Organismen. Sehr wahrscheinlich sind die Wassermoleküle auch irgendwann durch einen Dinosaurier hindurchgelaufen.

Dein Tee könnte mit Wasser gekocht sein, das vor langer Zeit von einem Tyrannosaurus geschluckt und wieder ausgepinkelt wurde!

Wasser, Wasser

Das Wasser ist so besonders, und die Meere sind so wichtig für das Leben, weil sich darin Substanzen lösen. Wenn du etwas Salz in ein Glas Wasser oder Zucker in eine Tasse Tee schüttest, dann verschwinden die Kristalle: Sie lösen sich auf. Das kommt von der »Polarität« der Wassermoleküle, die Atome und Moleküle in der Lösung halten kann.

Ein Wassermolekül hat zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom. Chemiker schreiben das als H2O. Ein Wasserstoffatom hat eine leicht positive Ladung und ein Sauerstoffatom eine leicht negative, die aber größer als die Ladung der Wasserstoffatome ist. Deshalb hat jedes Wassermolekül eine positive und eine negative Seite. So etwas nennt man ein »polares Molekül«.

Wasser kann Stoffe noch besser lösen, wenn es leicht sauer ist, z. B. wenn es mit Kohlendioxid zu Kohlensäure reagiert. Während das Wasser im Wasserkreislauf von den Ozeanen in die Wolken gelangt, dann als Regen fällt und in Flüssen zurückströmt, reagiert es mit dem Kohlendioxid in der Luft und wird dadurch etwas sauer. Das kohlensaure Wasser löst Elemente aus dem Gestein (dies nennt man Verwitterung oder Erosion) und schwemmt sie in die Flüsse. Die Flüsse tragen ihre

Fracht dann weiter ins Meer. Hast du schon einmal gesehen, wie rotbraun das Wasser von Flüssen ist? Es ist voller Eisen, das aus dem Gestein ausgelaugt (gelöst) wurde.

Nimm einen Schluck kohlensäurehaltiges Mineralwasser (die Blasen sind Kohlendioxid). Kannst du das leicht saure Aroma schmecken? Meine beiden Söhne ziehen dabei immer die Nase kraus.

In den Meeren sammeln sich all die Elemente, die auf dem Land gelöst wurden, oder solche, die durch Reaktionen am Meeresboden der Tiefsee oder in heißen Quellen wie den spektakulären schwarzen Rauchern ausgestoßen wurden. Aber nur die Wassermoleküle selbst verdunsten wieder und werden zu Wolken - die Elemente bleiben zurück. Einige werden dadurch so konzentriert, dass sie wieder zu festen Mineralen werden und als Sedimente auf den Meeresboden fallen, vor allem Kalk (Kalziumkarbonat) und Silikate. Dadurch wird ihre Konzentration in den Meeren begrenzt.

Anders als die meisten anderen Elemente lösen sich Natrium und Chlor (die beiden Bestandteile von Salz) nur gelegentlich und unter besonderen Bedingungen aus den Meeren heraus. (Zum Beispiel trocknete das Mittelmeer vor etwa sechs Millionen Jahren bis auf kleine Tümpel aus, nachdem die Bewegungen der Erdkruste es vom Atlantik abgeschnitten hatten. Dabei entstanden enorme Salzablagerungen.) Da Natrium und Chlor sich nicht kontinuierlich herauslösen, ist das Meer stets salzig.

Säuren und Laugen

Säuren und Laugen sind chemische Gegensätze. Fügt man eine Lauge zu einer Säure hinzu, wird sie neutralisiert, und fügt man Säure zu einer Lauge hinzu, neutralisiert man die Lauge.

Eine Säure ist ein chemischer Stoff, der im Wasser gelöst ist. Viele Säuren können Metalle auflösen. Schwache Säuren schmecken nur ein wenig sauer, aber starke Säuren sind gefährlich.

Eine Lauge ist eine Verbindung, also aus verschiedenen Elementen zusammengesetzt. Wenn sie in Wasser gelöst wird, können starke Laugen auf der Haut brennen und Dinge zersetzen.

Die Erosion von Gestein durch das Wasser ist der Grund, warum das Leben auf der Erde entstehen und bestehen bleiben konnte: Sie wirkt nämlich wie ein Thermostat für die Temperatur der Erde. Die Geschwindigkeit der Verwitterung hängt von der Temperatur ab. Wenn also aus irgendeinem Grund die Temperatur steigt, z. B. weil die Sonne im Laufe der Erdgeschichte immer heller geworden ist oder weil das Kohlendioxid (ein Treibhausgas, das die Erde erwärmt) in der Luft zunimmt, dann werden die Gesteine an Land schneller aufgelöst. Es werden also mehr Elemente ins Meer gespült, darunter auch Kohlenstoff, was wiederum die Bildung von Sedimenten fördert. Dabei wird mehr Kohlendioxid im Kalkstein gebunden und damit der alte Zustand des Planeten wiederher gestellt, sodass er sich nicht überhitzt.

Die Verwitterung hielt also die Temperaturen in einem Bereich, der genau richtig für die Entstehung von Leben war. Doch wir wissen noch nicht (und werden vielleicht niemals wissen), wo das Leben auf der Erde überhaupt entstand (das herauszufinden wäre vielleicht eine Lebensaufgabe für dich!). War das in »warmen kleinen Tümpeln«, wie der große Naturforscher Darwin vermutete, oder in den Tiefen der Meere? Egal wo es war, wir wissen, dass die Entstehung und Entwicklung des Lebens vom Wasser abhängig ist. Viele Elemente sind fest in den Gesteinen der Erde gebunden, aber die Ozeane sind ein wässriger Cocktail, der all diese mineralischen Elemente und auch organische Moleküle enthält, die leicht verfügbar und reaktionsbereit sind. Das ist der Schlüssel für den Beginn des Lebens.

Zum Nachdenken

Wie, denkst du, verhindert die Erosion, dass die Erde völlig gefriert?

Viele Wissenschaftler halten es für am wahrscheinlichsten, dass das erste Leben sich in der Tiefsee regte, denn die Oberfläche der frühen Erde war eine viel rauere Umgebung. Gefährliche Strahlung aus dem Weltraum konnte nicht bis in die Tiefe des Meeres vordringen. Die Meere dämpften auch extreme Temperaturen und schützten das Leben vor dem Bombardement von Meteoriten und intensiven Vulkanausbrüchen.

Von den unsicheren Anfängen vor vielleicht 2,7 Milliarden Jahren spielten sich die ersten zwei Milliarden Jahre des Lebens fast sicher in den Ozeanen ab. Aber unausweichliche Entwicklungen zwangen das Leben, immer komplexer zu werden. Die immer erfolgreicheren Bakterien erzeugten mehr chemische Nebenprodukte, vor allem Sauerstoff in der Atmosphäre, die für das damalige Leben giftig waren. Um ihre innere Chemie besser kontrollieren zu können, wurden die einfachen Zellen komplexer. Sie entwickelten innere Teilbereiche (solche Zellen nennt man Eukaryoten) und nahmen viele verschiedene Formen an.

Vielzellige Lebewesen erschienen gleichzeitig mit der spektakulärsten Erfindung des Lebens, dem Skelett. In der sogenannten »kambrischen Explosion« vor 540 Millionen Jahren zeigt die erdgeschichtliche Überlieferung einen Wandel von schwachen, undeutlichen Abdrücken zu einer Vielfalt fester, aber komplexer Schalenfossilien, die zweifellos von komplexen Organismen stammen. Tatsächlich hatte Darwin diese Explosion für den Beginn des Lebens selbst gehalten.

Das Kambrium

Wissenschaftler unterteilen die Erdgeschichte in Zeiten, die man Ären und Perioden nennt. Die Periode des Kambrium dauert von vor etwa 590 Millionen Jahren bis vor etwa 534 Millionen Jahren.

Die vielen Minerale, die im Meer gelöst und konzentriert sind, begünstigen die Bildung harter Körperteile wie Schalen. Ähnlich wie die gehörnten Dinosaurier immer kompliziertere Ornamente zum Schutz gegen immer wildere Raubsaurier entwickelten, ermöglichten diese ersten »Biominerale« einen Schutz gegen Kräfte, Gifte und vor allem gegen Fressfeinde.

Skelette - äußere Schalen und innere Knochen - verliehen Tieren die Stabilität für die ersten Schritte an Land!

Im Lauf der Erdgeschichte hat der Verwitterungsthermostat ein Gleichgewicht zwischen dem Säuregehalt (dem gelösten Kohlendioxid) und der Alkalinität (dem Laugengehalt durch gelöste Ionen im Ozean) gehalten. Seit es die Ozeane gibt, waren sie immer etwas alkalisch - das ist für die Bildung von Skeletten ideal. Aber wir - und zukünftige Generationen - stehen vor einem zunehmenden Problem.

Die wachsende Weltbevölkerung und unser Hunger nach fossilen Brennstoffen bringt übermäßig viel Kohlendioxid - und damit Säure - in die Meere ein. In einigen Millionen Jahren wird die Verwitterung der Gesteine der Kontinente so weit zugenommen haben, dass sie unseren großen Kohlendioxidausstoß neutralisiert. Aber die Erosion ist natürlich sehr langsam und in der Zwischenzeit werden die Meere weniger alkalisch und etwas weniger gesättigt. Diesen Vorgang nennt man Ozean-Versauerung, obwohl »etwas geringere Alkalisierung der Ozeane« genauer wäre - aber auch viel umständlicher für Schlagzeilen!

Die Kontinente wirken ungefähr wie ein Medikament gegen Magenbeschwerden, ein Säureblocker.

Für empfindliche Organismen wie Korallen wird es immer schwieriger, Skelette zu bilden, was enorme Folgen für das ganze Ökosystem der Meere hat. Es sei denn, die Lebewesen können sich anpassen - und zwar schnell!

Einige Wissenschaftler glauben, wir sollten eingreifen und der Erderwärmung und Meeresversauerung durch »Geoengineering« begegnen, etwa indem wir das Kohlendioxid künstlich aus der Luft entfernen. Dazu könnte man z. B. die Verwitterung auf dem Land manipulieren, um mehr alkaline Elemente ins Meer zu schwemmen.

Doch sollten wir wirklich noch ein weiteres weltweites Experiment mit unserer Erde anfangen?

Was meinst du?

Rebellische Moleküle

Ein einziger Liter Wasser enthält 30 Millionen Millionen Millionen Millionen Moleküle! Aber ein Liter Wasser sieht gar nicht wie ein Haufen Moleküle aus - er sieht wie ein kontinuierlicher Stoff aus, der je nach Temperatur und Druck fest, flüssig oder gasförmig sein kann. Wenn du genug Wärme zuführst, siedet Wasser und wird zu Dampf, wenn du die Temperatur weit genug senkst, wird es zu Eis.

Das ist das normale Verhalten von Wasser und wir können das leicht beobachten. Aber warum sollten sich all diese 30 Millionen Millionen Millionen Millionen Moleküle alle gleich verhalten? Gibt es keine rebellischen Moleküle?

Ein österreichischer Physiker, Ludwig Boltzmann, fand im 19. Jahrhundert eine mathematische Erklärung, wie die enorme Anzahl von Teilchen tatsächlich ein bestimmtes Verhalten am allerwahrscheinlichsten macht. Zwar bewegen sich all die Moleküle völlig zufällig (jedes folgt seinem eigenen Weg), aber ist es sehr wahrscheinlich, dass dies ein durchschnittliches Gesamtverhalten ergibt, bei dem man die einzelnen Moleküle ignorieren kann. In einem Liter Wasser weicht ein winziger Anteil der Moleküle kurz von diesem Durchschnitt ab, aber die Wahrscheinlichkeit ist sehr, sehr gering, dass dieser Anteil so groß ist, dass man eine Abweichung von dem uns vertrauten Verhalten bemerkt.

Wenn man das Wasser bis in alle Ewigkeit betrachten würde, dann würden wahrscheinlich irgendwann große Abweichungen vorkommen: Zum Beispiel würden sich alle Moleküle für einen kurzen Moment in die gleiche Richtung bewegen. Doch das ist sehr, sehr unwahrscheinlich. Wenn du nur einen Liter Wasser in einem Krug hast, ist nicht zu erwarten, dass es plötzlich von selbst herausspringt. Wenn du es aber für eine Ewigkeit stehen lassen könntest, würden solche Fluktuationen irgendwann auftreten - und zwar unendlich oft.

Was bedeutet das für das Universum?

Das Universum begann vor 13,8 Milliarden Jahren mit dem Urknall und dehnt sich jetzt immer schneller aus.

Wenn wir die gleichen Prinzipien wie eben beim Wasser auf unser Universum anwenden, ist klar, dass ein Universum, das bis in alle Ewigkeit besteht, jede mögliche zufällige Fluktuation unendlich oft durchmacht. Das heißt, dass eine perfekte Kopie unseres heutigen Universums - das ja eine gut funktionierende Anordnung von Teilchen ist - irgendwann irgendwo zufällig auftauchen müsste.

Eine Kopie unseres Universums würde natürlich auch Kopien all unserer Menschengehirne enthalten, mit all unseren Erinnerungen! Aber all das zufällig zu erschaffen, ist sehr viel schwieriger, als nur ein einzelnes funktionierendes Gehirn zu erschaffen. Daher müssten diese zufälligen Fluktuationen viel häufiger einzelne Gehirne mit all ihren Erinnerungen erschaffen als ganze Völker oder Kopien der ganzen Erde.

Ludwig Boltzmann

(1844-1906)

Ludwig Boltzmann war ein österreichischer Physiker und Philosoph, der verstehen wollte, wie Gase funktionieren. Sein ganzes Arbeitsleben lang beschäftigte ihn ein Thema: Er glaubte, dass Atome und Moleküle existierten, darauf baute er seine Arbeit auf. Doch es gab damals sehr viele Wissenschaftler, die den Gedanken für Unsinn hielten, dass Atome und Moleküle existierten. Sie wollten nicht zuhören, wenn Boltzmann vorschlug, sie sollten sich Atome als Modelle oder Bilder vorstellen. Der arme Boltzmann verbrachte viel Zeit damit, seine Ideen und Vorschläge gegen die Angriffe dieser Wissenschaftler zu verteidigen.

 
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