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 پوشش داده 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 راهنمای ما 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، به راحتی در زمین یافت میشود زیرا این سیاره در فاصله‌ای از خورشید قرار دارد که نه باعث تبخیر کامل آب میشود و نه یخ‌زدگی آن را به وجود می‌آورد.
نظریه‌های متعددی درباره چگونگی شکل‌گیری آب در کره زمین وجود دارد که بیش‌تر به دو دسته تقسیم می‌شوند یا زمین با پیش‌ساز‌های مولکولی آب متولد شده است، یا اجرام فضایی غنی از آب مانند 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 به طور 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، از دست رفتن مداوم آب در فضا است. مولکول‌های آب در جو تجزیه می‌شوند و اتم‌های هیدروژن آزاد شده گاهی از گرانش زمین فرار می‌کنند. وقتی زمین جوان‌تر و کم‌جرم‌تر بود، آب به راحتی می‌توانست از گرانش زمین خارج شود. نسبت‌های ایزوتوپی گاز‌های سنگین در جو کنونی می‌تواند نشان‌دهنده می‌زان از دست رفتن آب در طول تاریخ باشد. مقایسه ۹ ایزوتوپ پایدار زنون در جو زمین نشان میدهد که از ابتدای شکل‌گیری تا کنون، حجم آبی معادل یک اقیانوس از دست رفته است.
دانشمندان معتقدند هر‌گونه آب روی زمین در دوره‌ای که سیاره‌ای به اندازه مریخ با زمین برخورد کرد و ماه شکل گرفت (نزدیک به ۴.۵ می‌لیارد سال پیش) از بین رفته است. این برخورد احتمالا باعث تبخیر بخش زیادی از آب در پوسته و گوشته بالایی زمین و تشکیل جوی متراکم از بخار آب شده است. حدود ۲ هزار سال طول کشید تا این بخار متراکم شود و گاز‌هایی مانند 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 می‌کنند. سنگ‌های بازالتی بالشتی که در فوران‌های زیرآبینی شکل می‌گیرند، نشان می‌دهند آب ۳.۸ می‌لیارد سال پیش روی زمین وجود داشته است. مطالعات دیگر آب را در سنگ‌هایی با سن ۴.۲۸ می‌لیارد سال شناسایی کرده‌اند که دیرینه‌ترین نمونه‌های حاوی آب هستند. محققان گزارش داده‌اند که آب کافی برای شکل‌گیری اقیانوس‌ها از ابتدای شکل‌گیری زمین وجود داشته است.
برخلاف سنگ‌ها، کانی‌های زیرکن در برابر هوازدگی و فرا‌یند‌های زمین‌شناسی مقاوم هستند و برای درک شرایط اولیه زمین مفیدند. 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 تضاد دارد زیرا فکر می‌شد زمین در ابتدا داغ و مذاب بوده است. با این حال، اگر این نظریه صحیح باشد، سطح اولیه زمین از نظر عایق حرارتی شبیه زمین امروزی بوده و صفحات تکتونیک دی‌اکسید کربن را به دام انداخته و اثر گلخانه‌ای را کاهش داده‌اند که منجر به سرد شدن سطح و ثبات آب مایع شده است.
چه مقدار آب در زمین وجود دارد؟
اگرچه اقیانوس‌ها بیش‌تر سطح زمین را پوشش می‌دهند، 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 دارد. مقادیر قابل‌توجه‌ی آب در پوسته، گوشته و هسته زمین نیز ذخیره شده است. حدود ۳ برابر جرم اقیانوس‌ها می‌تواند در گوشته و ۴ تا ۵ برابر در هسته زمین وجود داشته باشد.
آب در زمین از کجا آمده است؟
دانشمندان فرضیه‌های مختلفی برای پاسخ به این سوال ارائه کرده‌اند. در ادامه محتمل‌ترین آن‌ها را بررسی می‌کنیم.
آب کره زمین از منابع فرا‌سیاره‌ای تأمین شده است
آب دمای تراکم کمتری نسبت به مواد سازنده سیارات مانند آهن و سیلیکات دارد. زمین اولیه تنها پیش‌سیاره‌ای داغ بود و امکان شکل‌گیری اقیانوس‌ها هم‌زمان با زمین وجود نداشت. در فواصل دور‌تر از خورشید، آب می‌توانسته متراکم شده و سیارات کوچک یخی شکل دهد. بنابراین اجرام فرا‌تر از خط یخ‌زدگی -مانند دنبالهدارها، اجرام فرا‌تر از نپتون و شهاب‌های غنی از آب- باید آب را به زمین رسانده باشند. زمان دقیق رسیدن آب همچنان مسئله‌ای 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 آب را در این فرآیند نگه دارد. این فرضیه با شباهت نسبت ایزوتوپی آب بین قدیمی‌ترین شهاب‌سنگ‌ها هم‌سو است، اما برای تعیین منشأ آب کافی نیست. یکی از مشکلات این فرضیه، اختلاف نسبت ایزوتوپی گاز‌های نجیب جو زمین با گوشته آن است که نشان‌دهنده منشأ‌های مختلف است. مدلهای دینامیکی منظومه شمسی اولیه نشان می‌دهند اگر مشتری به خورشید نزدیک‌تر می‌شد، سیارک‌های یخی می‌توانستند به زمین نزدیک شوند.
آب در زمین از ابتدای شکل‌گیری منظومه شمسی وجود داشته است
نسبت‌های ایزوتوپی مانند اثرانگشت‌های شیمیایی برای مقایسه آب زمین با دیگر نقاط منظومه شمسی کاربرد دارند. یکی از مهم‌ترین این نسبت‌ها، نسبت دوتریوم به هیدروژن است. هیدروژن فرا‌وان‌ترین عنصر جهان است و ایزوتوپ سنگین‌تر آن (دوتریوم) گاهی در مولکول آب جای می‌گیرد. بیش‌تر دوتریوم در جهان در انفجار‌های ابرنواخ‌تری شکل گرفته و احتمالا در سحاب گاز و غباری که منظومه شمسی را شکل داد، وجود داشته است. این امر نشان میدهد آب 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 قدیمی‌ترین شهاب‌سنگ‌ها هستند، مقادیر ایزوتوپی مشابه آب اقیانوس‌های زمین دارند. در برخی گونه‌های کندریت، سطوح ایزوتوپی هیدروژن و نیتروژن کاملا با آب دریا‌های زمین تطابق دارد که نشان میدهد این اجرام منبع آب زمین بوده‌اند. علاوه بر این، مطالعه ساختار سیارک‌ها نشان داده که عمده آب زمین از اتم‌های هیدروژن حمل‌شده بر ذرات باد خورشیدی است که با اکسیژن سیارک‌ها ترکیب شده و آب شکل داده‌اند.
دنبالهدارها
دنبالهدارها اجرام چند کیلوم‌تری از غبار و یخ با مدار‌های بیضی هستند که به لایه‌های درونی منظومه شمسی می‌رسند. وجود یخ و نوع مدار آن‌ها، آن‌ها را به کاندید‌های مناسب برای توضیح آب زمین تبدیل می‌کند. اندازه‌گیری نسبت دوتریوم به هیدروژن در دنبالهدارها نشان داده که آب اقیانوس‌های زمین تنها از دنبالهدارها نشأت نگرفته است. تخمین‌ها نشان میدهد حدود ۱۰ درصد منابع آب زمین توسط دنبالهدارها تأمین شده است.
جمع‌بندی
در این مقاله، منشأ آب کره زمین بررسی شد. نظریه‌های مختلفی وجود دارند که توضیح می‌دهند آب چگونه در زمین شکل گرفته یا به آن رسیده است. دانشمندان از روش‌های متنوعی مانند اندازه‌گیری عناصر و مدل‌سازی دینامیکی منظومه شمسی استفاده کرده‌اند. اگرچه پاسخ قطعی هنوز وجود ندارد، اما دانشمندان معتقدند مجموعه‌ای از رخداد‌ها باعث شده زمین امروزی مملو از آب باشد.
آب زمین از کجا آمده است؟ دانشمندان فرضیه‌های مختلفی را مطرح می‌کنند. باور بر این است که در ابتدای شکل‌گیری زمین، سیارک‌های یخی غنی از آب تحت تأثیر گرانش با زمین ترکیب شده‌اند. شهاب‌سنگ‌ها و اجرام دیگر نیز احتمالا با برخورد با زمین، آب را به سیاره ما آورده‌اند.
آیا آب از ابتدا در زمین وجود داشته است؟ دانشمندان به دلیل دمای بالای زمین در زمان شکل‌گیری، احتمال وجود آب از ابتدا را کم می‌دانند؛ زیرا اگر آب وجود داشت، تبخیر می‌شد. با این حال، برخی معتقدند آب به صورت بخار در سحاب پیش‌سیاره‌ای وجود داشته و زمین از ابتدا حاوی آب بوده است. قطعا تا کنون پاسخ قطعی برای این سوال وجود ندارد.
