WIE EIN MAGMAOZEAN WASSERSTOFF IN WASSER VERWANDELN KÖNNTE

Man stelle sich die junge Erde nach einem gewaltigen Einschlag vor: ein globaler Ozean aus geschmolzenem Gestein – ein Magmaozean – unter einer dichten Atmosphäre, die überwiegend aus Wasserstoff besteht. Bringt man Wasserstoff mit einem Eisenoxid in Kontakt, das zusätzlichen Sauerstoff trägt, nimmt der Wasserstoff den Sauerstoff auf und wird zu Wasser. Könnte das im planetaren Maßstab geschehen sein, und wie schnell? Tatsuya Yoshida vom Earth-Life Science Institute am Institute of Science Tokyo und Kollegen von der Universität Hokkaido, der Universität Tohoku und dem japanischen National Institute of Information and Communications Technology bauten ein Modell, um das herauszufinden.

In der Tiefe zweigeteiltes Eisen

In einem tiefen Magmaozean kann bei den Drücken des unteren Mantels zweiwertiges Eisen (FeO, ein Sauerstoffatom pro Eisenatom) disproportionieren: Es spaltet sich in metallisches Eisen und dreiwertiges Eisen (FeO₁.₅, anderthalb Sauerstoffatome pro Eisenatom) auf, gemäß 3 FeO → 2 FeO₁.₅ + Fe. Das Metall sinkt in den Kern, und die Konvektion verteilt das dreiwertige Eisen, sodass die Schmelze laut früheren Studien etwa so oxidiert bleibt wie der heutige Mantel. Wie schnell würde es mit dem Wasserstoff darüber reagieren, und was würde die Atmosphäre ihrerseits mit dem Magma machen? Viele frühere Modelle behandelten Mantel und Magma als unerschöpflichen Sauerstoffvorrat.

Eine Haut, die immer wieder absinkt

Das Modell koppelt das Eindringen von Wasserstoff in die Schmelze, seine Reaktion mit dreiwertigem Eisen (H₂ + 2 FeO₁.₅ → H₂O + 2 FeO), die Verteilung von Wasser und Oxiden zwischen Luft, Magma und dem darunter auskristallisierenden festen Mantel sowie die Abkühlung des Planeten. Die Luft beginnt mit etwa zehn Wasserstoffmolekülen pro Wassermolekül. Mengen werden in N_TO gezählt: Ein N_TO sind so viele Wasserstoffmoleküle, wie die heutigen Ozeane Wassermoleküle enthalten. Wie gut sich Magma und fester Mantel durchmischen, ist unbekannt, daher rechnete das Team zwei Extremfälle: freier Austausch (Fall 1) oder im Mantel eingeschlossene Schmelze, während dieser erstarrt (Fall 2).

Der Engpass ist die Oberseite des Magmas. Wasserstoff diffundiert nur sehr langsam durch geschmolzenes Gestein, daher muss er eine dünne Grenzschicht an der Oberfläche durchqueren. Diese Schicht bleibt nicht an Ort und Stelle: Von oben gekühlt, wird sie dichter, bis sie absinkt und frische Schmelze ihren Platz einnimmt. Bei einem heißen, tiefen Magmaozean – Oberflächentemperatur von 2.400 Kelvin, ein Druck von 50 Gigapascal an seiner Basis, 400 Watt Wärme, die durch jeden Quadratmeter entweichen – geschieht das etwa alle 70 Sekunden.

In dieser Zeit dringt Wasserstoff weniger als einen Millimeter tief in eine 19 Millimeter dicke Schicht ein. Doch die ständige Erneuerung hält das Wasserstoffgefälle steil, sodass der Zustrom hoch bleibt: über 0,1 N_TO pro tausend Jahre, im Schnitt 0,35.

Das Modell: Wasserstoff diffundiert aus der Atmosphäre in eine dünne Grenzschicht, reagiert mit dreiwertigem Eisen zu Wasser, und die Schicht kippt in den Magmaozean um. Weiter unten spaltet sich Eisen in dreiwertiges Eisen und Metall. Die Fälle 1 und 2 unterscheiden sich darin, wie das Magma Material mit dem festen Mantel austauscht. — Abbildung 1, Yoshida et al. (2026), arXiv:2610.38503.

Etwa zehntausend Jahre

Im Hauptbeispiel – insgesamt 10 N_TO Wasserstoff und Wasser, Magma bis in eine Tiefe von 50 Gigapascal – wird das dreiwertige Eisen verbraucht, doch an der Basis des Magmaozeans spaltet sich weiterhin Eisen und ersetzt es, sodass die Schmelze etwa gleich oxidiert bleibt. Die Oberfläche erreicht das chemische Gleichgewicht mit der Luft, sobald die Luft etwa so viel Wasserdampf wie Wasserstoff enthält: nach etwa 0,01 Millionen Jahren, also 10.000 Jahren. Bis dahin ist der Wasserstoff, Luft und Magma zusammengenommen, von etwa 5 N_TO auf unter 1 gesunken, und das Wasser, größtenteils in der Schmelze gelöst, hat sich fast verdoppelt. Diese Geschwindigkeit erhalten die Autoren, wenn der Magmaozean tief und heiß genug ist, um bis in den unteren Mantel zu reichen.

Der Magmaozean erstarrt dann in Fall 1 über etwa 2 Millionen Jahre, unter einer Atmosphäre, die wie eine Decke wirkt. Wasser entweicht aus der Schmelze, während sie auskristallisiert: In Fall 1 landen mehr als 80 % davon in der Luft.

Oben: Druck von Wasserstoff (grün) und Wasserdampf (blau) in der Atmosphäre. Unten: Gesamtmengen, in N_TO. Links Fall 1, rechts Fall 2. Nahe 10⁻² Millionen Jahren bricht der Wasserstoff ein und das Wasser steigt an. — Abbildung 6 (Felder a–d), Yoshida et al. (2026), arXiv:2610.38503.

Die Luft hält dagegen

Wenn sich Kristalle bilden, nehmen sie dreiwertiges Eisen ungleichmäßig auf. In Fall 1 bevorzugt es den festen Mantel, und die Schmelze würde in Richtung reduzierend driften; Wasser, das das Magma verlässt, reagiert dann mit zweiwertigem Eisen, und die Luft oxidiert das Magma. In Fall 2 reichert sich dreiwertiges Eisen in der Schmelze an, sobald der obere Mantel, sein oberflächennächster Teil, erstarrt; Wasserstoff reduziert es dann. Die Atmosphäre wirkt als Puffer, und beide Fälle enden mit weitgehend ähnlicher Luft. Schaltet man diese Sauerstoffbuchhaltung ab, wie frühere Modelle es taten, laufen sie deutlich auseinander.

Tiefere Ozeane, mehr Wasser

Über alle Rechenläufe hinweg gilt: Je tiefer der Magmaozean, desto mehr Wasser erzeugt er, denn höherer Druck begünstigt die Spaltung des Eisens. Für Tiefen in dem Bereich, der sich aus der Verteilung eisenliebender Elemente zwischen Metall und Gestein ableiten lässt – 28 bis 53 Gigapascal an der Basis –, werden mehr als 70 % des Wasserstoffs zu Wasser. Hätte die junge Erde so viel Wasserstoff gesammelt, wie heute die gesamte Erde außerhalb ihres Kerns an Wasser enthält, 1 bis 10 N_TO, könnte diese Chemie den Wasserhaushalt der Erde erklären, schreiben die Autoren.

Der Mars passt in diesen Trend. Ein Magmaozean auf dem Mars, falls es einen gab, konnte nicht tiefer reichen als bis zum Kern des Planeten, bei 18 bis 19 Gigapascal, und das Modell ergibt dann einen weit weniger oxidierten Mantel als den der Erde – im Einklang mit Marsmeteoriten, deren Chemie nahe dem Punkt liegt, an dem metallisches Eisen und Eisenoxid nebeneinander bestehen.

Was das Bild verändern könnte

Das Modell nimmt an, dass Eisentröpfchen sofort in den Kern fallen; von der Konvektion in der Schwebe gehalten, könnten sie die Oberfläche reduzierend halten und die Wasserproduktion begrenzen. Hochdruckexperimente sind uneins darüber, wie viel dreiwertiges Eisen entsteht. Diffusionsdaten enden bei etwa 1.700 Kelvin, und die Reaktionsgeschwindigkeit stammt von festen Eisenoxiden, daher wird die Wasserstoffaufnahme vermutlich unterschätzt. Und das Modell hinterlässt einen Mantel mit einem Verhältnis von dreiwertigem zu zweiwertigem Eisen von 0,06 bis 0,15, über den heutigen 0,02 bis 0,06: Spätere Prozesse, etwa der späte Eintrag metallreichen Materials, müssten es gesenkt haben.

Ein Himmel, der wasserstoffreich blieb

Sobald der Magmaozean erstarrt war, hätte der Wasserdampf zu einem Oberflächenozean kondensieren sollen. Der übrige Wasserstoff wäre mit Kohlenstoff- und Stickstoffgasen in der Luft geblieben; die Autoren vermuten, dass er zur Bildung von Methan, Ammoniak und dann organischen Verbindungen beigetragen haben könnte, die sich in jenem ersten Ozean gesammelt haben könnten. Ein großer Teil des Wassers dieses Ozeans begann in diesem Bild als Wasserstoff am Himmel, ins Magma gezogen durch eine Haut, die etwa jede Minute absank und sich erneuerte.