منشا آب در زمین از کجاست؟

منشا آب در کره زمین

منشا آب در زمین موضوع مجموعه‌ای از تحقیقات در زمینه علوم سیاره شناسی، نجوم و اختر زیست شناسی است. زمین در میان سیارات سنگی منظومه شمسی منحصر به فرد است، زیرا تنها سیاره‌ای است که اقیانوس‌هایی از آب مایع در سطح خود دارد. آب مایع، که برای حیات ضروری است، اما همچنان به حیات خود در سطح زمین ادامه می دهد زیرا این سیاره در فاصله‌ای قرار دارد که به عنوان منطقه قابل سکونت شناخته می‌شود، به اندازه کافی از خورشید دور است که آب خود را از دست نمی‌دهد، اما نه آنقدر دور که دمای پایین باعث یخ زدن تمام آب‌های روی کره زمین شود.

مدتها تصور می‌شد که آب کره زمین از ناحیه سیاره در قرص پیش سیاره‌ای سرچشمه نمی‌یرد. در عوض، فرض بر این بود که آب و سایر مواد فرار باید بعداً در تاریخ آن از بیرون منظومه شمسی به زمین تحویل داده شده باشند. اما تحقیقات اخیر نشان می‌دهد که هیدروژن درون زمین در شکل‌گیری اقیانوس نقش داشته است. این دو ایده متقابل نیستند، زیرا شواهدی نیز وجود دارد که نشان می‌دهد آب از طریق برخورد سیاره‌های کوچک یخی شبیه به سیارک‌ها در لبه‌های بیرونی کمربند سیارک‌ها به زمین رسیده است

تاریخچه آب در زمین

یکی از عوامل در تخمین زمانی که آب روی زمین ظاهر شد این است که آب به طور مداوم در فضا از دست می رود. مولکول‌های H₂O در اتمسفر با فتولیز (یا نورکافت: نوعی واکنش شیمیایی بر اثر عمل نور یا تابش فرابنفش) شکسته می‌شوند و اتم‌های آزاد هیدروژن گاهی می‌توانند از کشش گرانشی زمین فرار کنند. زمانی که زمین جوان‌تر و جرم کمتری داشت، آب به راحتی در فضا از بین می‌رفت. انتظار می‌رود عناصر سبک‌تری مانند هیدروژن و هلیوم به‌طور مداوم از جو نشت کنند، اما نسبت‌های ایزوتوپی گازهای نجیب سنگین‌تر در جو مدرن نشان می‌دهد که حتی عناصر سنگین‌تر در جو اولیه نیز در معرض تلفات قابل‌ توجهی بوده‌اند. به طور خاص، زنون برای محاسبات از دست دادن آب در طول زمان مفید است. این گاز نه تنها یک گاز نجیب است (از طریق واکنش های شیمیایی با عناصر دیگر از اتمسفر حذف نمی شود)، بلکه مقایسه بین 9 ایزوتوپ پایدار آن در جو مدرن نشان می‌دهد که زمین در تاریخ خود، بین دوران هادین و آرکئان، حداقل یک اقیانوس آب را از دست داده است.

هرگونه آبی روی کره زمین در طول دوره بعدی بر افزایش آن در اثر برخورد ماه (حدود 4.5 میلیارد سال پیش) مختل شده است، که احتمالاً بخش زیادی از پوسته زمین و گوشته بالایی را تبخیر کرده و یک جو بخار سنگی در اطراف سیاره جوان ایجاد کرده است. بخار سنگ در عرض دو هزار سال متراکم می‌شد و مواد فرار داغی را از خود به جای می‌گذاشت که احتمالاً منجر به یک اتمسفر دی اکسید کربن با هیدروژن و بخار آب می‌شد. پس از آن، اقیانوس‌های آب مایع ممکن است با وجود دمای سطح 230 درجه سانتیگراد (446 درجه فارنهایت) به دلیل افزایش فشار جوی اتمسفر CO₂ وجود داشته باشند. همانطور که خنک سازی ادامه یافت، بیشتر CO₂ با فرورانش و انحلال در آب اقیانوس از اتمسفر حذف شد، اما سطوح به‌عنوان چرخه جدید سطح و گوشته نوسان کردند.

همچنین شواهد زمین شناسی وجود دارد که به محدود کردن چارچوب زمانی آب مایع موجود بر روی زمین کمک می کند. نمونه‌ای از بازالت بالشی (نوعی سنگ تشکیل شده در طی فوران زیر آب) از کمربند ایسوا گرین استون به دست آمد و شواهدی را ارائه می دهد که 3.8 میلیارد سال پیش روی زمین آب وجود داشته است. در کمربند گرین استون Nuvvuagittuq، کبک، کانادا، سنگ هایی با قدمت 3.8 میلیارد سال توسط یک مطالعه و 4.28 میلیارد سال توسط مطالعه دیگر شواهدی از وجود آب در این سنین را نشان می‌دهند. اگر اقیانوس‌ها زودتر از این زمان وجود داشته‌اند، شواهد زمین‌شناسی یا هنوز کشف نشده است یا از آن زمان توسط فرآیندهای زمین‌شناسی مانند بازیافت پوسته از بین رفته است. اخیراً، در آگوست 2020، محققان گزارش دادند که آب کافی برای پر کردن اقیانوس‌ها ممکن است از ابتدای شکل‌گیری سیاره همیشه روی زمین بوده باشد.

برخلاف سنگ‌ها، کانی‌هایی به نام زیرکون در برابر هوازدگی و فرآیندهای زمین‌شناسی بسیار مقاوم هستند و به همین دلیل برای درک شرایط در زمین اولیه استفاده می‌شوند. شواهد کانی‌شناسی زیرکن‌ها نشان می‌دهد که آب مایع و اتمسفر باید 0.008 ± 4.404 میلیارد سال پیش، خیلی زود پس از شکل‌گیری زمین، وجود داشته باشند. این تا حدودی یک تناقض را نشان می‌دهد، زیرا فرضیه سرد اولیه زمین نشان می‌دهد که دماها به اندازه‌ای سرد بوده که آب را بین 4.4 تا 4.0 میلیارد سال قبل منجمد کند. سایر مطالعات زیرکون‌های یافت شده در سنگ هادین استرالیا به وجود تکتونیک صفحه ای در اوایل 4 میلیارد سال پیش اشاره دارد. اگر درست باشد، به این معنی است که به جای یک سطح داغ و مذاب و جوی پر از دی اکسید کربن، سطح زمین اولیه بسیار شبیه به امروز بود. عمل تکتونیک صفحه ای مقادیر زیادی CO₂ را به دام می اندازد، در نتیجه اثرات گلخانه ای را کاهش می‌دهد که منجر به دمای سطح بسیار سردتر، تشکیل سنگ جامد و آب مایع می‌شود.

موجودی آب کره زمین

در حالی که بیشتر سطح زمین توسط اقیانوس‌ها پوشیده شده است، این اقیانوس‌ها تنها بخش کوچکی از جرم سیاره را تشکیل می‌دهند. جرم اقیانوس‌های کره زمین 1.37 × 10 ²¹ کیلوگرم تخمین زده می‌شود که 0.023٪ از کل جرم زمین، 6.0 × 10 ²⁴ کیلوگرم است. تخمین زده می‌شود که 5.0 × 10 ²⁰ کیلوگرم آب اضافی در یخ، دریاچه‌ها، رودخانه‌ها، آب های زیرزمینی و بخار آب اتمسفر وجود داشته باشد. مقدار قابل توجهی آب نیز در پوسته، گوشته و هسته زمین ذخیره می‌شود. برخلاف H ₂ O مولکولی که در سطح یافت می‌شود، آب در داخل کانی‌های هیدراته یا به‌ عنوان مقادیر ناچیز هیدروژن متصل به اتم‌های اکسیژن در کانی‌های بی آب وجود دارد. اتم‌های اکسیژن در کانی‌های بی آب سیلیکات‌های هیدراته روی سطح، آب را به داخل گوشته در مرزهای صفحه همگرا منتقل می‌کنند، جایی که پوسته اقیانوسی در زیر پوسته قاره فرورانش می‌کند. در حالی که تخمین کل محتوای آب گوشته به دلیل نمونه‌های محدود دشوار است، تقریباً سه برابر جرم اقیانوس‌های زمین می‌تواند در آنجا ذخیره شود. به طور مشابه، هسته زمین می‌تواند حاوی چهار تا پنج اقیانوس هیدروژن باشد.

فرضیه‌های منشا آب زمین

منابع فراسیاره ای

آب دمای تراکم بسیار کمتری نسبت به سایر مواد تشکیل دهنده سیارات زمینی منظومه شمسی مانند آهن و سیلیکات دارد. منطقه نزدیکترین قرص پیش سیاره‌ای به خورشید در اوایل تاریخ منظومه شمسی بسیار داغ بود و امکان پذیر نیست که اقیانوس‌های آب در هنگام شکل‌گیری با زمین متراکم شوند. علاوه بر خورشید جوان که دمای آن سردتر بود، آب می‌تواند متراکم شود و سیاره‌های کوچک یخی را تشکیل دهد. مرز منطقه‌ای که یخ می‌تواند در اوایل منظومه شمسی تشکیل شود، به عنوان خط یخبندان (یا خط برف) شناخته می‌شود و در کمربند سیارکی مدرن، بین 2.7 تا 3.1 واحد نجومی (AU) از خورشید قرار دارد. بنابراین ضروری است که اجرام فراتر از خط یخبندان مانند دنباله‌دارها، اجرام فرا نپتونی و شهاب‌سنگ‌های غنی از آب (پیش سیاره‌ها)، آب را به زمین برسانند. با این حال، زمان این تحویل هنوز مورد سوال است.

یک فرضیه ادعا می‌کند که زمین در حدود 4.5 میلیارد سال پیش، زمانی که 60 تا 90 درصد اندازه فعلی خود بود، سیارات کوچک یخی را جمع کرد (به تدریج با تجمع سیاره ها رشد کرد). در این سناریو، زمین قادر بود آب را به شکلی در طول برافزایش و رویدادهای ضربه بزرگ حفظ کند. این فرضیه با شباهت‌های فراوانی و نسبت ایزوتوپی آب بین قدیمی‌ترین شهاب‌سنگ‌های کندریتی کربنی شناخته شده و شهاب‌سنگ‌های وستا، که هر دو از کمربند سیارکی منظومه شمسی سرچشمه می‌گیرند، پشتیبانی می‌شود. همچنین توسط مطالعات نسبت‌های ایزوتوپ‌های اسمیم پشتیبانی می شود، که نشان می‌دهد مقدار قابل توجهی آب در موادی که زمین در اوایل جمع آوری کرده بود، وجود داشت. اندازه‌گیری‌های ترکیب شیمیایی نمونه‌های قمری جمع‌آوری‌شده توسط مأموریت‌های آپولو 15 و 17 بیشتر از این حمایت می‌کند و نشان می‌دهد که آب قبل از تشکیل ماه روی زمین وجود داشته است.

یکی از مشکلات این فرضیه این است که نسبت ایزوتوپ‌های گاز نجیب جو زمین با نسبت‌های گوشته آن متفاوت است، که نشان می دهد آنها از منابع مختلفی تشکیل شده‌اند. برای توضیح این مشاهدات، یک نظریه به اصطلاح “روکش دیرهنگام” ارائه شده است که در آن آب بسیار دیرتر در تاریخ زمین، پس از برخورد ماه ایجاد شد. با این حال، درک کنونی از شکل‌گیری زمین اجازه می‌دهد که کمتر از 1% از مواد زمین پس از تشکیل ماه برافزایش پیدا کند، که به این معناست که موادی که بعداً جمع شده‌اند باید بسیار غنی از آب بوده باشند. مدل‌های دینامیک اولیه منظومه شمسی نشان داده‌اند که اگر مشتری به خورشید نزدیک‌تر می‌شد، سیارک‌های یخی می‌توانستند در این دوره به درون منظومه شمسی (از جمله زمین) تحویل داده شوند.

با این حال، فرضیه سوم، که با شواهدی از نسبت ایزوتوپ های مولیبدن پشتیبانی می شود، نشان می دهد که زمین بیشتر آب خود را از همان برخورد بین سیاره‌ای که باعث شکل‌گیری ماه شد، به دست آورده است.

شواهد مربوط به سال 2019 نشان می‌دهد که ترکیب ایزوتوپی مولیبدن گوشته زمین از منظومه شمسی بیرونی سرچشمه می گیرد و احتمالاً آب را به زمین آورده است. توضیح این است که تیا، سیاره‌ای که در فرضیه برخورد غول‌پیکر گفته می‌شود 4.5 میلیارد سال پیش با زمین برخورد کرده و ماه را تشکیل می‌دهد، ممکن است در منظومه شمسی بیرونی به جای منظومه شمسی داخلی منشأ گرفته باشد و با خود آب و کربن را به همراه داشته باشد.

(در حال به روزرسانی)