Auch Wasser wird unter Druck aggressiv

  • 13. March 2013

Bei extremen Drücken und hohen Temperaturen, wie sie im Erdinnern herrschen, verwandelt sich Wasser in ein aggressives Lösungsmittel.

Die Erde ist derzeit noch der einzige uns bekannte Planet, der Wasser in gewaltigen Mengen und in allen drei Phasenzuständen aufweist. Der Allerweltsstoff hat sehr ungewöhnliche Eigenschaften, die dann zutage treten, wenn man ihn unter hohen Druck und auf hohe Temperaturen bringt. Eine deutsch-finnisch-französische Gruppe erforschte nun, was geschieht, wenn man Wasser Bedingungen aussetzt, wie sie tief in der Erde herrschen. Bei Drücken über 22 Megapascal und Temperaturen über 374 Grad Celsius, jenseits des kritischen Punktes, wird Wasser zu einem sehr aggressiven Lösungsmittel, ein Umstand, der entscheidend für die Physikochemie des Erdmantels und der Erdkruste ist.

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Abb.: Welche exotischen Formen Wasser in der tiefen Erdkruste annehmen kann, zeigt sich, wenn es unter sehr hohen Druck von 1,5 Gigapascal gesetzt wird – wie unter einem Eispanzer von 150 Kilometern Dicke. Dann wird Wasser zu „Eis VI“, das im Unterschied zum auf der Erdoberfläche vorkommenden Eis I erst bei Temperaturen über 0 °C schmilzt. (Bild: GFZ)

„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“, sagt Max Wilke vom Deutschen Geoforschungszentrum GFZ, der zusammen mit seinem Kollegen Christian Schmidt und einem Team der TU Dortmund die Experimente durchführte. Die Forschergruppe untersuchte zunächst experimentell die mikroskopische Struktur von Wasser in Abhängigkeit von Druck und Temperatur mithilfe von Röntgen-Raman-Streuung. Dazu nutzten  die Wissenschaftler die Diamantstempelzellen des GFZ an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF in Grenoble, in denen sie sehr kleine Wasserproben einschlossen, heizten und auf immer höhere Drücke brachten. Sandro Jahn vom GFZ analysierte die  Daten mit Hilfe molekulardynamischer Simulationsrechnungen.

„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 Wilke. „Die Kenntnis der 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.

GFZ / DE

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