Adam Sarafian kam als Doktorand an die Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), um zu erfahren, wie die Erde überhaupt zu ihrem Ozean kam.

„Die große Frage ist, wie und wann der Planet sein Wasser bekam“, sagt Horst Marschall, einer von Sarafians Doktorvätern am WHOI. „Alle Völker haben Mythen darüber, woher das Wasser kommt. In der Genesis im Alten Testament, in nordischen Mythen und auch in griechischen Mythen – es ist eine alte Frage.“

In der Tat ist es eine der ältesten Fragen im Sonnensystem, und es gibt zwei mögliche Antworten, sagte Sarafian: „Entweder war die Erde geformt und trocken, saß da und wartete auf Wasser, und das Wasser kam von Kometen oder anderen nassen Körpern, die relativ spät in der Geschichte auf die Erde trafen. Oder das Wasser kam aus dem Inneren der Erde – das heißt, die Erde bekam ihr Wasser, während sie sich noch formte, und dann stießen Vulkane Dampf und andere wasserhaltige Verbindungen an die Oberfläche aus.“

Die Antwort auf das Rätsel lag nicht im flüssigen Wasser, sondern in festen Gesteinen. Sarafian und Kollegen verfolgten einen mühsamen Weg, um Beweise aus seltenen Proben alter Meteoriten zu gewinnen, die auf die Erde gefallen waren.

Aber Sarafian war Beharrlichkeit nicht fremd. Er überwand eine Lernschwäche, die ihm das Lesen erschwerte, und überwand Höhen als All-American Stabhochspringer – alles, bevor er eine wissenschaftliche Karriere startete, die es ihm nun erlaubt, durch das Universum und zurück durch die Zeit zu rasen, als die Erde noch entstand.

Höhen und Hürden

In der dritten Klasse wurde bei Sarafian eine Lernschwäche diagnostiziert. „Ich konnte nicht wirklich einen Absatz lesen und wissen, was der Absatz sagte – egal welchen“, sagte er. „Anstatt Wahlfächer zu belegen, nahm ich Sonderschulunterricht. Es war ein Kampf während der gesamten Schulzeit – ich versuchte einfach, mich dazu zu bringen, lesen zu können.“

Aber er wurde ziemlich gut in der Leichtathletik. „Meine Mutter besitzt eine Gymnastikschule in Eatontown, New Jersey“, sagte er. „Ich bin in der Turnhalle aufgewachsen. Ich hing dort herum und spielte, wenn meine Mutter arbeitete.“

Der Leichtathletik-Trainer seiner High School überredete ihn, Stabhochsprung zu versuchen, und aus einer Laune heraus tat er es.

„In meinem ersten Jahr setzte ich mir das Ziel, die Landesmeisterschaften zu gewinnen“, sagte er. „Also habe ich pausenlos trainiert.“

„Adam war akribisch in seiner Vorbereitung und achtete auf jedes Detail“, sagt sein Trainer Mark DeSomma. „Er kannte alle Regeln und Vorschriften. Bei unserem Konferenz-Meisterschaftstreffen informierte er den Wettkampfleiter, dass die Stabhochsprunggrube nicht vorschriftsmäßig war. Der Wettkampfleiter sagte ihm: ‚Sohn, du kannst dich entscheiden, ob du springst oder nicht, aber das ist unsere Grube und sie wird nirgendwo hingehen.‘ „

Sarafian brach daraufhin den Landesrekord von 16 Fuß und 6 Zoll, der seit 25 Jahren bestand. Dann sprang er bei den Konferenz-Meisterschaften 17 Fuß und übertraf den Rekord um erstaunliche 10 Fuß.

Das brachte ihm ein Stabhochsprung-Stipendium für die Universität von Georgia ein, wo er ein NCAA All-American wurde. In seinem letzten Jahr jedoch häuften sich die Verletzungen.

„Ich brach mir die Hand, als ich eine Stange brach. Und ich sagte: ‚Es ist mein letztes Jahr, da kann ich genauso gut weitermachen. Wir verbinden die Hand mit Klebeband, dann wird es schon wieder.‘ Dann, gegen Ende der Saison, fingen meine Füße an, richtig weh zu tun.“ Sarafian beendete die letzten zwei Monate seiner NCAA-Leichtathletik-Karriere mit Frakturen in beiden Füßen.

Leichtathletik

Bei den regionalen Meisterschaften konnte Sarafian kaum noch laufen. „Nach jedem Sprung konnte ich nicht einmal von der Matte gehen. Ich kroch davon. Ich dachte: ‚Gut, ich werde es nicht zu den nationalen Meisterschaften schaffen, aber es war ein guter Ritt.‘ „

Er war auch aus einem anderen Grund erleichtert. Im College hatte er begonnen, eine andere Leidenschaft zu entwickeln: Geologie. Für einen Abschluss in Geologie waren zwei Monate Feldarbeit erforderlich, die etwa zur gleichen Zeit wie das nationale Meisterschaftstreffen begannen. „Dann kommt der Offizielle rüber und sagt: ‚Du hast es zu den nationalen Meisterschaften geschafft!‘ „

In den Vorläufen bei den Nationals waren seine Füße so geschwollen, dass er eine größere Schuhgröße trug.

Seine Füße schmerzten so sehr, dass er nur kurze Läufe bis zur Stange ertragen konnte. „Ich dachte: ‚Na gut, letzter Sprung, das war’s!‘ Ich tat es und sagte: ‚Wenigstens habe ich es in den Vorkampf der Nationals geschafft.‘ Dann kam der Offizielle rüber und sagte: ‚Du hast es ins Finale geschafft!‘ Und ich sagte: ‚Neeeeeiiin! Ich muss zur Feldarbeit.‘ “

In letzter Minute wurde er jedoch aus dem Wettbewerb genommen. „Es war bittersüß, rausgeschmissen zu werden, aber ich wusste, dass ich überhaupt nicht in Bestform war, und mein Körper war am Ende. Ich schaute mir das Finale an und feuerte alle meine Freunde an. Zwei Tage später war ich in Alaska, trug Wanderschuhe, kletterte auf Berge und machte geologische Feldforschung.“

„Der Stabhochsprung-Wettbewerb“, so DeSomma, „ist ein sich wiederholender, gemessener Wettkampf mit vielen frustrierenden Tagen, knapp verpassten Versuchen und einem Misserfolg nach dem anderen, bis zu diesen erstaunlichen Momenten des Erfolgs. Adam war eine Persönlichkeit, die unermüdlich nach Spitzenleistungen strebte.“

Sarafian kanalisierte diese Energie in seine wissenschaftliche Karriere nach dem Sprung.

Am Anfang

Die Frage nach dem Ursprung des Wassers auf der Erde tauchte zum ersten Mal in Sarafians Bachelor-Kursen auf und setzte sich fort, als er seinen Master-Abschluss in Georgia machte. „Die Antwort war immer ‚Wir wissen es nicht!‘ „, sagte er.

In den Anfangstagen unseres Sonnensystems vor etwa 4,6 Milliarden Jahren waren die Erde und andere Protoplaneten noch im Entstehen, erklärte Sarafian. Innerhalb einer bestimmten Entfernung von der Sonne war es zu heiß für Wasser, um stabil zu bleiben, und jeglicher Wasserdampf wäre von den Sonnenwinden weggeblasen worden. Jenseits einer Entfernung, die weit genug von der Sonne entfernt ist, der so genannten „Schneegrenze“, konnte Wasser in Form von Eis existieren. Den inneren Rand der Schneelinie umgibt ein Asteroidengürtel, zu dem auch ein großer Asteroid namens Vesta gehört. „Es ist fast wie ein Planet, der sich nicht vollständig gebildet hat“, sagte er.

Vor etwa 15 Jahren „begannen Wissenschaftler zu denken, dass das Wasser der Erde vielleicht aus kohlenstoffhaltigen Chondriten stammt“, sagte Sarafian. Diese sind eine Art von Meteoriten, die viel Wasser enthalten. Die Hypothese war, dass die Umlaufbahn des riesigen Proto-Jupiters begann, sich näher an die Sonne heranzubewegen. „Jupiter sagte: ‚Geh mir aus dem Weg‘ und all diese wasserreichen kohlenstoffhaltigen Chondrite außerhalb der Schneelinie wurden in Richtung Sonne geschleudert, und alle inneren Planeten, Merkur, Venus, Erde und Mars. Sie trafen auf Vesta oder sogar die Erde und wurden in den ersten 20 Millionen Jahren der Entstehung des Sonnensystems in die Gesteine der inneren Planeten eingebaut.“

So begannen die Wissenschaftler, das Wasser der Erde mit dem Wasser in kohlenstoffhaltigen Chondriten zu vergleichen. Der Schlüssel dazu ist Wasserstoff, das am häufigsten vorkommende Element im Universum. Wasserstoff hat zwei Isotope – normalen Wasserstoff mit einer Masse von eins und Deuterium oder „schweren Wasserstoff“ mit einer Masse von zwei. Das Verhältnis dieser Isotope ist in den verschiedenen Teilen des Sonnensystems unterschiedlich. Die Sonne besteht hauptsächlich aus normalem Wasserstoff. Aber Kometen, die hauptsächlich aus Gestein und Eis bestehen, haben sich viel weiter von der Sonne entfernt gebildet und sind reicher an Deuterium. Der Wasserstoff im Wasser der Erde liegt irgendwo zwischen der Sonne und den Kometen.

Messungen der Wasserstoffisotope in kohlenstoffhaltigen Chondriten stimmten sehr gut mit dem Wasser der Erde überein. Das bestärkte die Idee, dass das Wasser der Erde aus Chondriten stammt. Aber wann ist dies geschehen? Das Problem war, dass die Chondrite das Wasser entweder früh eingebracht haben könnten, indem sie auf den wachsenden Planeten aufschlugen, oder spät, indem sie auf die Erde prasselten, nachdem sie sich gebildet hatte. Um das herauszufinden, mussten die Wissenschaftler Wasser in Gesteinen finden, die sich sehr früh gebildet haben, in der gleichen Region und zur gleichen Zeit wie die Erde.

Eine vielversprechende Quelle war eine Art von Gestein namens Eukriten. Das sind Stücke des Asteroiden Vesta, die in Form von Meteoriten auf die Erde gefallen sind.

„Vesta ist etwa 14 Millionen Jahre nach dem Beginn des Sonnensystems komplett eingefroren und verschlossen, also hat sie ihr ganzes Wasser schon vorher bekommen“, sagte Sarafian. „Zu dieser Zeit war die Erde ein Viertel bis die Hälfte ihrer Größe und wuchs noch.“

Um seine Suche fortzusetzen, musste Sarafian zwei Hindernisse überwinden: Er musste seltene Proben von Eukriten bekommen, und er musste einen Weg finden, das Wasser in ihnen zu messen.

Ein Appetit auf Apatite

Um Eukrite zu bekommen, wandte sich Sarafian an Institutionen, die Meteoritenproben sammeln, wie die NASA, die Smithsonian Institution und das American Museum of Natural History.

„Es ist nicht so einfach“, sagte Marschall. „Man muss sie davon überzeugen, dass das, was man tun will, es wert ist, getan zu werden. Er hat sie überzeugt, als Student, ganz ohne den Rückhalt einer Institution. Ich schätze Adams Tatkraft und Motivation sehr.“

Nächste Aufgabe war die Messung. Im Gegensatz zu Chondriten, die wasserreiche Sedimentgesteine sind, bestehen Vesta und Eukrite aus Basalt, ähnlich wie das Gestein, aus dem der Meeresboden besteht.

Sarafian erfuhr, dass der WHOI-Geologe Nobu Shimizu eine Technik entwickelt hatte, um Wasser zu messen, das in Glastaschen in basaltischem Meeresbodengestein eingeschlossen ist, und zwar mit der Northeast National Ion Microprobe Facility am WHOI. Sarafian wollte Wasser in einem anderen Mineral messen, das sowohl in Gesteinen des Meeresbodens als auch in Meteoriten vorkommt: Apatit. Also fragte er Shimizu und den WHOI-Geologen Henry Dick, ob er den Sommer als Gaststudent am WHOI verbringen und mit ihnen zusammenarbeiten könne, „um die Technik, die sie bereits hatten, für die Messung von Wasser in Apatiten zu nutzen“

„Viele Leute aus dem Bereich der Planetenforschung hätten wahrscheinlich gesagt: ‚Das sollten Sie nicht messen – in Apatiten gibt es kein Wasser'“, so Sarafian. Aber für seine Masterarbeit in Georgia hat er zum ersten Mal das Vorhandensein von Wasser in Eukriten nachgewiesen.

Dieses Kunststück führte ihn unweigerlich zur nächsten Frage: Was ist die Quelle des Wassers? Was zu einer weiteren hohen Hürde führte: die Messung von Wasserstoffisotopen in extrem niedrigen Konzentrationen von Wasser.

Wasser, Wasser überall

Nach seinem Master-Abschluss ging Sarafian natürlich zurück zum WHOI. Dort lernte er Marschall und eine weitere WHOI-Geologin, Sune Nielsen, kennen. Sie nahmen ihn für einen weiteren Sommer und dann für ein Jahr als Gaststudenten auf, um seine Forschung fortzusetzen, während er sich für das MIT-WHOI Joint Program bewarb. Die beiden sind jetzt Sarafians Co-Betreuer für seine Doktorarbeit.

„Wir haben auch einen großartigen Labortechniker an der Ionenmikrosondenanlage namens Brian Monteleone“, sagte Sarafian, „und wir begannen herauszufinden, wie wir die Messungen durchführen wollten. Brian sagt immer, dass seine Lieblingsprojekte die sind, bei denen wir unsere Maschine bis an ihre Grenzen bringen.“

Es gibt zwei Probleme. Erstens: „Wir messen eine winzige Menge an Meteoritenwasser, und wir müssen sicherstellen, dass wir nichts anderes messen. Wir denken ständig daran, dass wir kein Wasser von der Erde messen wollen. Und Wasser gibt es überall auf der Erde. Wir müssen die Maschine so gut wie möglich dekontaminieren.“

Die Proben werden ein oder zwei Wochen lang unter ein starkes Vakuum gelegt, um das Wasser abzusaugen. Dann kommen die Proben in die Ionen-Mikrosonde unter Ultrahochvakuum-Bedingungen, die praktisch alle Luft und alles Wasser heraussaugen. Praktisch alles. Die Forscher müssen immer noch akribische Messungen der extrem niedrigen Konzentrationen von Restwasserstoff durchführen, indem sie einen Basis-Wasserstoffstandard in der Maschine berechnen und ihn dann von ihren endgültigen Berechnungen abziehen.

Die gute Nachricht ist, dass die mineralische Struktur von Apatit verhindert, dass irdisches Wasser hineindiffundiert. Also ist jedes Wasser, das darin eingeschlossen ist, meteorisch. Aber Gesteinsoberflächen können immer noch winzige Risse haben, die winzige Mengen irdischen Wassers einschließen können.

„Wir polieren die Proben perfekt flach mit einem Minimum an Rissen, und das erfordert eine Menge Polierarbeit“, sagte er.

Bereiten, zielen, feuern. Wiederholen.

Die Ionen-Mikrosonde fokussiert einen Ionenstrahl auf einen sehr kleinen Bereich einer Probe, etwa 10 Mikrometer breit, 10 Mikrometer lang und 1 Mikrometer tief.

Der Strahl sputet Ionen aus der Probe heraus, die durch ein Massenspektrometer geschleudert werden. Dieses detektiert und unterscheidet die Ionen anhand ihrer Masse und Ladung – in diesem Fall das Verhältnis von normalen zu schweren Wasserstoff-Ionen.

„Wir analysieren speziell auch die Risse, um zu wissen, wie viel Wasser darin sein könnte und welches Isotopenverhältnis es hat“, sagte er. „Es ist also eine Menge Fokussieren, Ausrichten und erneutes Ausführen unserer Standards, und wenn der Strahl um ein kleines bisschen abweicht, ist das ein Problem. Wir führen eine Menge Standards und eine Menge Risse aus. Und jeder Riss, den wir ausführen, dauert eine Stunde. Jeder Standard, den wir durchführen, dauert eine Stunde, und ab und zu bekommen wir einen Datenpunkt. Es ist mühsam, und wir müssen eine ganze Reihe von Analysen verwerfen, weil wir denken, dass sie nicht streng genug sind.“

Am Ende sah das Wasserstoff-Isotopenverhältnis in den Eukriten genauso aus wie das der Erde. „Das bedeutet, dass das Wasser im sehr frühen Sonnensystem, als sich die Eukriten bildeten, genauso war wie das Wasser auf der Erde heute.“

Die Studie, die im Oktober 2014 im renommierten
Journal Science veröffentlicht wurde, „zeigt, dass das Wasser auf der Erde höchstwahrscheinlich
zur gleichen Zeit entstand wie das Gestein, aus dem sich der Planet bildete“, so Marschall. „Der Planet bildete sich als feuchter Planet mit Wasser auf der Oberfläche.“

„Die Antwort ist, dass unsere Ozeane schon immer hier waren“, sagte Sarafian.

Lesen und Schreiben

Sarafian war Hauptautor der Science-Arbeit, mit den Co-Autoren Nielsen, Marschall, Monteleone und Francis McCubbin vom Institut für Meteoritik der University of New Mexico. Das brachte ihn dazu, sich an seine College-Zeit zu erinnern, als das Lesen einer wissenschaftlichen Arbeit noch eine Qual war.

„Als ich anfing, mich auf Geologie zu konzentrieren, sagte ich: ‚Ich muss wirklich lesen können.‘ Es gab eine Menge Wiederlesen von Papieren, Hervorheben, Notieren nebenbei – Stunden und Stunden und Stunden davon. Am Anfang habe ich mir nur die Abbildungen und die Beschriftungen angesehen. Ich schlug eine Menge Wörter nach.

„Ich schloss mich in meinem Zimmer oder in meinem Büro ein und blieb stundenlang wach, um Papiere zu lesen. Ich hatte einen Schlafsack und einen Toaster im Büro, und ich war ziemlich oft dort. Ich sah das so, dass ich alle anderen einholte, weil ich mich so im Rückstand fühlte.

„Es brauchte eine beträchtliche Menge an Zeit und eine Menge Leute, die mir halfen, um in der Lage zu sein, eine wissenschaftliche Arbeit zu lesen und irgendetwas daraus zu entnehmen. Schließlich konnte ich wissenschaftliche Abhandlungen schnell und gründlich lesen, um alle Informationen herauszubekommen. Aber ich kann immer noch nicht wirklich Belletristik lesen. Ich schätze, ich bin nicht bereit, so viel Zeit in Fiktion zu investieren.“

Weiter zurück in der Zeit reisen

Sarafians Forschungsweg geht weiter. Er begann, Proben von Meteoriten zu analysieren, die 10 Millionen Jahre älter sind als Eukriten. Diese Meteoritenstücke, die gelegentlich auf die Erde gefallen sind, werden Angrite genannt und bildeten sich etwa vier Millionen Jahre nach dem Beginn des Sonnensystems.

„Wenn Angrite die gleichen Wasserstoff-Isotope wie Vesta und die Erde haben, bedeutet das, dass Wasser während der gesamten Zeit, in der sie sich bildeten, in diese planetarischen Körper akkretiert wurde, fast von der Zeit Null an“, sagte er. Er untersucht auch, ob andere Elemente, die für die Entstehung von Leben essentiell sind, wie Kohlenstoff und Stickstoff, ebenfalls mit dem Wasserstoff auf den kohlenstoffhaltigen Chondriten mitgekommen sind und früh zur Erde geliefert wurden.

Sarafian verbringt jetzt einen Großteil seiner Zeit am NASA-Johnson Space Center und am Carnegie Institute in Washington, wo er eine Ionensondenanlage benutzt, die auf die Messung extrem geringer Mengen von Wasserstoff und Kohlenstoff spezialisiert ist.

Währenddessen umkreist Vesta irgendwo da draußen immer noch die fernen Ränder unseres Sonnensystems, und ein Student schlägt das Wort „Eukrit“ nach.

Diese Forschung wird durch einen WHOI Mellon Award for Innovative Research, den Ocean Venture Fund des WHOI und ein NASA Graduate Fellowship unterstützt.