منشأ آب کره زمین: نظریههای علمی از سیارکها تا شکلگیری اولیه سیاره
حیات بشر به آب وابسته است و نزدیک به ۷۱ درصد سطح سیاره ما را آب پوشانده است. بدن نوزادان از حدود ۷۸ درصد و بدن بزرگسالان از حدود ۶۰ درصد آب تشکیل شده است. این مایع حیاتی که مایع حیات نیز نامیده میشود، از کجا آمده است؟ پاسخ به این سوال میتواند در درک منشأ حیات روی زمین و پیشبینی وجود آب در سیارات فراخورشیدی کمککننده باشد.
منشأ آب در کره زمین
منشأ آب در کره زمین موضوع تحقیقات گستردهای در علوم سیارهای، نجوم و اخترزیستشناسی است. زمین به دلیل داشتن اقیانوسهای آب مایع در میان سیارات سنگی منظومه شمسی بینظیر است. آب مایع که برای تمام اشکال شناختهشده حیات ضروری است، در زمین به وفور یافت میشود؛ زیرا این سیاره در فاصلهای از خورشید قرار دارد که نه باعث تبخیر کامل آب شده و نه باعث یخزدگی آن میشود.
نظریههای متعددی درباره چگونگی پیدایش آب در زمین وجود دارد که بیشتر به دو دسته تقسیم میشوند یا زمین با پیشسازهای مولکولی آب متولد شده است، یا اجرام فضایی حاوی آب نظیر سیارکها و دنبالهدارها پس از شکلگیری زمین، آب را به این سیاره آوردهاند. بسیاری از این نظریهها با هم سازگارند و زمین میتواند آب خود را از منابع گوناگون دریافت کرده باشد. دانشمدان بهصورت مداوم در حال اصلاح مدلهای منظومه شمسی اولیهاند تا منشأ دقیق آب را مشخص کنند.
تاریخچه آب کره زمین
یکی از پارامترهای تخمین زمان ظهور آب روی زمین، این واقعیت است که آب بهصورت مداوم در فضا از دست میرود. مولکولهای آب در جو تجزیه میشوند و اتمهای هیدروژن آزادشده گاهی از کشش گرانشی زمین فرار میکنند. وقتی زمین جوانتر و کمجرمتر بود، آب بهراحتی میتوانست از گرانش زمین خارج شود.
عناصر سبکتر نظیر هیدروژن و هلیوم مدام از جو نشت میکنند، اما نسبتهای ایزوتوپی گازهای سنگینتر در جو کنونی میتواند نشاندهنده میزان از دست رفتن آب در طول تاریخ باشد. عنصر زنون به دلیل ماهیت بیفعالی، از طریق واکنشهای شیمیایی از جو حذف نمیشود. مقایسه ۹ ایزوتوپ پایدار زنون در جو کنونی نشان میدهد که زمین از ابتدای شکلگیری تا کنون حجم آبی معادل یک اقیانوس را از دست داده است.
دانشمندان معتقدند هرگونه آب روی زمین در دورهای که اجرامی به اندازه مریخ با زمین برخورد کرد و منجر به شکلگیری ماه شد (نزدیک به ۴.۵ میلیارد سال پیش) از بین رفت. این برخورد احتمالا باعث تبخیر بخش زیادی از آب در پوسته و گوشته بالایی زمین و تشکیل جوی متراکم از بخار آب شد. حدود ۲ هزار سال طول کشید تا این بخار متراکم شود و گازهای فراری نظیر دیاکسید کربن، هیدروژن و بخار آب را رها کند. با وجود دمای نزدیک به ۲۳۰ درجه سانتیگراد، افزایش فشار جوی دیاکسید کربن باعث شکلگیری اقیانوسهای آب مایع شد.
شواهد زمینشناسی نیز چارچوب زمانی برای آب مایع را محدود میکند. نمونههایی از سنگ بازالتی بالشتی که در فورانهای زیرآبینی شکل میگیرد، نشان میدهد آب ۳.۸ میلیارد سال پیش روی زمین وجود داشته است. مطالعه دیگری آب را در سنگهایی با سن ۴.۲۸ میلیارد سال شناسایی کرده که کهنترین نمونه شناختهشده حاوی آب است. محققان در پژوهش دیگری گزارش دادند که آب کافی برای شکلگیری اقیانوسها از ابتدای شکلگیری زمین وجود داشته است.
برخلاف سنگها، کانیهای زیرکن در برابر فرسایش و فرایندهای زمینشناسی بسیار مقاومند و برای درک شرایط زمین اولیه مفید هستند. شواهد کانیشناسی نشان میدهد آب مایع باید بیش از ۴.۴ میلیارد سال پیش، بسیار سریعتر از شکلگیری کامل زمین، وجود داشته باشد. این نکته ظاهری تضادی دارد؛ زیرا فرض بر این است که زمین در ابتدا داغ و مذاب بوده و امکان وجود آب مایع وجود نداشته است.
با این حال، اگر این نظریه صحیح باشد، اثبات میشود که زمین در آغاز شکلگیری، بهجای سطحی داغ و جوی پر از دیاکسید کربن، سطحی با عایق حرارتی مشابه زمین امروزی داشته است. صفحات تکتونیک مقادیر زیادی دیاکسید کربن را در خود حبس کرده و اثر گلخانهای را کاهش دادهاند که منجر به سرد شدن سطح و استحکام سنگها و آب مایع شده است.
چه مقدار آب در زمین وجود دارد؟
اگرچه اقیانوسها بخش زیادی از سطح زمین را میپوشانند، اما تنها ۰.۰۲۳ درصد جرم کل سیاره را تشکیل میدهند. تخمین زده میشود حدود ۱۰ به توان ۲۰ کیلوگرم آب در دریاچهها، رودخانهها، آبهای زیرزمینی و بخار جوی وجود داشته باشد. مقدار قابلتوجهی آب نیز در پوسته، گوشته و هسته زمین ذخیره شده است. اگرچه تخمین آب در گوشته دشوار است، اما حدود ۳ برابر جرم اقیانوسها میتواند در گوشته وجود داشته باشد. هسته زمین نیز میتواند ۴ تا ۵ برابر آب اقیانوسها را در خود نگه داشته باشد.
آب در زمین از کجا آمده است؟
دانشمندان فرضیههای مختلفی برای پاسخ به این سوال ارائه کردهاند. در ادامه محتملترین آنها را مرور میکنیم.
آب کره زمین از منابع فراسیارهای تأمین شده است
آب دمای تراکم کمتری نسبت به مواد سازنده سیارات نظیر آهن و سیلیکات دارد. زمین در آغاز شکلگیری تنها پیشسیارهای داغ بود و امکان شکلگیری اقیانوسها همزمان با زمین وجود نداشت. اما در فواصل دورتر از خورشید، آب میتوانسته متراکم شده و سیارات کوچک یخی را شکل دهد. از این رو، اجرام فراتر از خط یخزدگی – نظیر دنبالهدارها، اجرام فراتر از نپتون و شهابسنگهای غنی از آب – باید آب را به زمین رسانده باشند. با این حال، زمان دقیق رسیدن آب به زمین همچنان سوالبرانگیز است.
یک فرضیه ادعا میکند زمین نزدیک به ۴.۵ میلیارد سال پیش، وقتی ۶۰ تا ۹۰ درصد اندازه فعلی خود را داشت، سیارات یخی کوچک را به سمت خود کشیده و با انباشتن آنها رشد کرده است. در این سناریو، زمین میتوانست در این فرآیند آب را در خود نگه دارد. این فرضیه با شباهت نسبت ایزوتوپی آب بین کهنترین شهابسنگها و آب زمین همسو است، اما برای شناسایی منشأ آب به تنهایی کافی نیست.
یکی از مشکلات این فرضیه، اختلاف نسبت ایزوتوپی گازهای نجیب در جو زمین با نسبتهای گوشته است که نشان میدهد این دو از منابع مختلفی آمدهاند. مدلهای دینامیکی منظومه شمسی اولیه نشان میدهد اگر مشتری به سمت خورشید مهاجر شده باشد، سیارکهای یخی حاوی آب میتوانستند به زمین نزدیک شوند.
آب در زمین از ابتدای شکلگیری منظومه شمسی وجود داشته است
نسبتهای ایزوتوپی مانند اثرانگشتهای شیمیایی منحصر به فرد هستند که برای مقایسه آب در زمین و سایر نقاط منظومه شمسی مورد استفاده قرار میگیرند. یکی از مهمترین این نسبتها، نسبت دوتریوم به هیدروژن است که در جستجوی منشأ آب روی زمین بسیار سودمند است. هیدروژن فراوانترین عنصر جهان است و ایزوتوپ سنگینتر آن (دوتریوم) گاهی در مولکول آب جای هیدروژن را میگیرد. بیشتر دوتریوم در جهان در انفجارهای ابرنواختری شکل گرفته و احتمالا در سحاب گاز و غباری که در نهایت منظومه شمسی را شکل داد، وجود داشته است. از این رو میتوان گفت آب کره زمین ریشه در آن سحاب اولیه دارد.
سیارکها
مطالعات ژئوشیمیایی متعدد نشان میدهند سیارکها محتملترین منبع اولیه آب در زمین هستند. کندریتهای کربنی که زیرمجموعهای از کهنترین شهابسنگهای منظومه شمسی هستند، مقادیر ایزوتوپی مشابه آب اقیانوسهای زمین دارند. در برخی گونههای کندریت، مقادیر دقیقی از نسبتهای ایزوتوپی هیدروژن و نیتروژن یافت شده که کاملا با آب دریاهای زمین تطابق دارد. این امر نشان میدهد که به احتمال زیاد آب در این اجرام، منبع آب زمین بوده است.
علاوه بر این، مطالعه ساختار سیارکها نشان داده است که بخش عمده آب در زمین از اتمهای هیدروژن حملشده بر ذرات باد خورشیدی است که با اکسیژن موجود در سیارکها ترکیب شده و به شکل آب در آمدهاند.
دنبالهدارها
دنبالهدارها اجرامی با ابعاد چند کیلومتری هستند که از غبار و یخ تشکیل شده و مدارهای بیضیشکل دارند که آنها را به لایههای درونی منظومه شمسی میآورد. وجود یخ در آنها و نوع مدارشان، آنها را به کاندیدهای مناسبی برای توضیح وجود آب در زمین تبدیل میکند.
اندازهگیری نسبت دوتریوم به هیدروژن در دنبالهدارها توسط دانشمندان نشان داده است که آب اقیانوسهای زمین تنها از دنبالهدارها نشأت نگرفته است. با استفاده از این نسبت، تخمین زده شده که نزدیک به ۱۰ درصد منابع آب در زمین توسط دنبالهدارها تأمین شده است.
جمعبندی
در این مقاله، منشأ آب کره زمین مورد بررسی قرار گرفت. نظریههای مختلفی وجود دارند که توضیح میدهند آب در زمین چگونه شکل گرفته است. آیا آب به طریقی به زمین آورده شده است یا شرایط در زمین به نحوی بوده که مولکولهای آب بهمرور زمان شکل گرفتهاند؟ دانشمندان برای پاسخ به این سوالات، از روشهای متنوعی نظیر اندازهگیری عناصر مختلف و شبیهسازی دینامیکی منظومه شمسی و شکلگیری زمین بهره بردهاند. اگرچه پاسخ قطعی تا کنون یافت نشده، اما دانشمندان معتقدند مجموعهای از رویدادها باعث شده زمین امروزی پر از آب باشد.