Skąd wzięła się woda na Ziemi?

Spójrz na Ziemię w porównaniu z innymi skalistymi planetami w sąsiedztwie, a pierwszą rzeczą, która prawdopodobnie wyskoczy jest to, że jest tam mnóstwo wody. Jak więc 70 procent powierzchni naszej planety zostało pokryte tym niezbędnym do życia składnikiem?

To pytanie jest przedmiotem ożywionej debaty naukowej, jak się okazuje.

Istnieją dwie dominujące teorie: Jedna mówi, że Ziemia zatrzymała trochę wody, kiedy się uformowała, ponieważ w mgławicy gazu i pyłu (zwanej mgławicą proto-słoneczną), która ostatecznie uformowała Słońce i planety około 4,5 miliarda lat temu, znajdował się lód. Niektóre z tych wód pozostały na Ziemi i mogą być ponownie wprowadzone do obiegu przez warstwę płaszcza planety, zgodnie z jedną z teorii.

Druga teoria utrzymuje, że Ziemia, Wenus, Mars i Merkury byłyby wystarczająco blisko tej proto-słonecznej mgławicy, że większość ich wody zostałaby odparowana przez ciepło; planety te uformowałyby się z niewielką ilością wody w swoich skałach. W przypadku Ziemi, jeszcze więcej wody zostałoby odparowane podczas kolizji, która uformowała Księżyc. W tym scenariuszu, zamiast być domowym wytworem, oceany zostałyby dostarczone przez bogate w lód asteroidy, zwane chondrytami węglowymi.

Podążaj za wodą

Naukowcy mogą śledzić pochodzenie ziemskiej wody, patrząc na stosunek dwóch izotopów wodoru, lub wersji wodoru z inną liczbą neutronów, które występują w przyrodzie. Jeden z nich to zwykły wodór, który ma tylko proton w jądrze, a drugi to deuter, znany również jako „ciężki” wodór, który ma proton i neutron.

Stosunek deuteru do wodoru w ziemskich oceanach wydaje się ściśle odpowiadać temu z asteroid, które są często bogate w wodę i inne pierwiastki, takie jak węgiel i azot, a nie z komet. (Podczas gdy asteroidy są małymi skalistymi ciałami, które krążą wokół Słońca, komety są lodowymi ciałami, czasami nazywanymi brudnymi kulami śniegu, które uwalniają gaz i pył i uważa się, że są pozostałością po formowaniu się Układu Słonecznego.)

Naukowcy odkryli również opale w meteorytach, które pochodzą z asteroid (są to prawdopodobnie kawałki strącone z asteroid). Ponieważ opale potrzebują wody do powstania, to odkrycie było kolejną wskazówką, że woda pochodzi z kosmicznych skał. Te dwa dowody przemawiałyby za pochodzeniem z asteroidy. Dodatkowo, deuter ma tendencję do gromadzenia się dalej w Układzie Słonecznym niż wodór, więc woda powstała w zewnętrznych regionach systemu będzie miała tendencję do bycia bogatą w deuter.

I na dodatek, skaliste planety wewnętrzne zawierają stosunkowo mało wody (w stosunku do ich masy) w porównaniu z lodowymi księżycami Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna, a nawet samych gazowych olbrzymów. To wspierałoby ideę, że w układzie wewnętrznym woda wyparowała, podczas gdy w układzie zewnętrznym nie. Jeśli woda wyparowała na Ziemi, musiałaby zostać zastąpiona gdzieś indziej, a asteroidy bogate w wodę są obfite w zewnętrznych częściach systemu.

Więcej dowodów pochodzi z sondy kosmicznej NASA DAWN, wystrzelonej w 2007 roku, która znalazła dowody na istnienie wody na Ceres i Veście, dwóch największych obiektach w głównym pasie asteroid znajdującym się pomiędzy Marsem a Jowiszem.

Ziemska woda jest skomplikowana

Slam dunk dla asteroid? Nie tak szybko. Aby ten scenariusz mógł się sprawdzić, stosunek izotopów musiał pozostać taki sam w oceanach przez ostatnie kilka miliardów lat.

Ale co jeśli tak nie było?

Lydia Hallis, naukowiec planetarny z Uniwersytetu w Glasgow w Wielkiej Brytanii, uważa, że wodór obecny na wczesnej Ziemi zawierał znacznie mniej deuteru niż obecnie. Stosunek ten uległ zmianie, ponieważ we wczesnej historii Ziemi promieniowanie słoneczne podgrzewało zarówno wodór, jak i deuter. Wodór, będąc lżejszym, był bardziej skłonny odlecieć w przestrzeń kosmiczną, pozostawiając za sobą więcej deuteru.

W ciągu ostatnich kilku lat nowsze modele zdają się pokazywać, że Ziemia zachowała dużo wody, gdy się formowała, i że oceany mogły być obecne znacznie dłużej, niż ktokolwiek myślał.

Hallis i jej koledzy przyjrzeli się stosunkom izotopów wodoru w starożytnych skałach kanadyjskich, jednych z najstarszych skał na Ziemi. Stosunki izotopów wyglądały o wiele mniej jak asteroidy i o wiele bardziej jak woda, której można by się spodziewać po wczesnej mgławicy słonecznej w tym regionie – skały miały więcej zwykłego wodoru i mniej deuteru. Ale obecne proporcje oceanu wyglądają jak u asteroidy. To zdawałoby się wskazywać, że coś się zmieniło w ciągu ostatnich kilku miliardów lat. Badania zostały opublikowane w Science w 2015 roku.

Jeśli oceany Ziemi powstały z wody na naszej własnej planecie, a nie z asteroid, rozwiązałoby to kilka problemów dla naukowców planetarnych. Jednym z nich jest to, dlaczego Ziemia wydaje się mieć tak dużo wody w pierwszej kolejności. Innym jest to, dlaczego życie, które tak dalece, jak ktokolwiek wie, wymaga wody, wydaje się, że pojawiło się tak szybko, gdy Ziemia miała już stałą powierzchnię.

Oprócz pracy Hallisa, inni naukowcy badali sposoby, w jakie woda mogłaby zostać poddana recyklingowi z wnętrza Ziemi. W 2014 roku Wendy Panero, profesor nadzwyczajny nauk o ziemi w Ohio State, i doktorant Jeff Pigott zaproponowali teorię, że Ziemia została uformowana z całymi oceanami wody w swoim wnętrzu. Poprzez tektonikę płyt, woda ta zasilała oceany. Badali oni granat i odkryli, że może on współpracować z innym minerałem, zwanym ringwoodite, w celu dostarczenia wody do wnętrza Ziemi – wody, która później pojawi się, gdy materiał płaszcza będzie krążył.

Komplikując obraz, żadna z tych hipotez nie wyklucza się wzajemnie. Asteroidy mogą dostarczać wodę, podczas gdy część może pochodzić z wnętrza Ziemi. Pytanie brzmi, ile każda z nich dostarczyłaby wody – i jak się tego dowiedzieć.

Tak więc ta tajemnica pozostanie jedną, przynajmniej na jakiś czas.

Śledź LiveScience na Twitterze @livescience. Jesteśmy również na Facebooku & Google+.