منشأ آب در کره زمین

منشأ آب کره زمین؛ مروری بر نظریههای پیدایش آب در سیاره ما

حیات بشر به شدت به آب وابسته است و تقریبا ۷۱ درصد سطح سیاره زمین را آب پوشش داده است. بدن نوزادان از حدود ۷۸ درصد آب و بدن بزرگسالان از نزدیک به ۶۰ درصد آب تشکیل شده است و انسان نمیتواند بیش از چند روز بدون آب زنده بماند. این مایع حیاتی که مایع حیات نیز نامیده میشود، از کجا آمده است؟ پاسخ به این پرسش میتواند در درک منشأ حیات روی زمین و پیشبینی وجود آب در سیارات فراخورشیدی را هنمای ما باشد.

منشأ آب در کره زمین

منشأ آب در کره زمین موضوعی است که بر اساس تحقیقات در علوم سیارهای، نجوم و اخترزیستشناسی بررسی میشود. 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 را حتی 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 در مورد چگونگی پیدایش آب در کره زمین وجود دارد که بیشتر آنها به دو دسته تقسیم میشوند یا زمین از پیشسازهای مولکولی آب متولد شده است یا سنگهای فضایی غنی از آب مانند سیارکها و دنبالهدارها، آب را پس از شکلگیری زمین به این سیاره آوردهاند. بسیاری از این نظریهها با هم سازگارند و زمین میتواند آب خود را از منابع گوناگون در یافت کرده باشد. دانشمدان به طور مداوم در حال اصلاح مدلهای منظومه شمسی اولیهاند تا منشأ دقیق آب کره زمین را بیابند.

تاریخچه آب کره زمین

یکی از پارامترهای تخمین زمان ظهور آب روی زمین، این واقعیت است که آب به طور مداوم در فضا از دست میرود. مولکولهای آب در جو تجزیه میشوند و اتمهای هیدروژن آزاد شده گاهی از کشش گرانشی زمین فرار میکنند. وقتی زمین جوانتر و کمجرمتر بود، آب به را حتی میتوانست از گرانش زمین خارج شود. انتظار میرود عناصر سبکتر مانند هیدروژن و هلیوم مدام از جو نشت کنند، اما نسبتهای ایزوتوپی گازهای سنگینتر در جو کنونی زمین میتواند نشاندهنده میزان از دست رفتن آب در طول تا ریخ باشد. عناصر سنگینتر نیز در دوران جوانی زمین تلفات قابلتوجهی داشتهاند. برای مثال، از عنصر زنون در محاسبات از دست رفتن آب طی زمان استفاده میشود. زنون به دلیل بودن گاز نجیب، از طریق واکنشهای شیمیایی با عناصر دیگر در جو حذف نمیشود. مقایسه ۹ ایزوتوپ پایدار زنون در جو کنونی زمین نشان میدهد که زمین از ابتدای شکلگیری تا به امروز حجم آبی معادل یک اقیانوس را از دست داده است.

دانشمندان معتقدند هرگونه آب روی زمین در دورهای که یک سیاره سنگی به اندازه مریخ با زمین برخورد کرد و منجر به شکلگیری ماه شد (نزدیک به ۴.۵ میلیارد سال پیش)، از بین رفته است. این برخورد احتمالا باعث تبخیر بخش زیادی از آب در پوسته و گوشته با لایی زمین شده و جوی متراکمی از بخار آب در اطراف سیاره ایجاد کرده است. تخمین زده میشود نزدیک به ۲ هزار سال طول کشیده تا این بخار متراکم شود و مواد فرار را رها کند که عمدتا شامل دیاکسید کربن، هیدروژن و بخار آب بوده است. پس از آن، با وجود دمای نزدیک به ۲۳۰ درجه سانتیگراد، به دلیل افزایش فشار جوی گاز دیاکسید کربن، اقیانوسهای آب مایع شکل گرفتند.

شواهد زمینشناسی چارچوب زمانی برای آب مایع موجود در زمین را محدود میکند. نمونههایی از سنگ با زالتی با لشتی، که در فورانهای زیر آب شکل میگیرد، شواهدی ارائه میدهد که آب در ۳.۸ میلیارد سال پیش روی زمین وجود داشته است. مطالعه دیگری نیز نشان داده که آب در سنگهایی با سن ۴.۲۸ میلیارد ساله وجود دارد که که نترین نمونه سنگ حاوی آب شناخته شده است. احتمالا اقیانوسها سریعتر از این زمان در زمین وجود داشتهاند اما شواهد زمینشناسی برای اثبات آن کشف نشده است، احتمالا به دلیل فرایندهای زمینشناسی مانند با زیافت پوسته زمین که چنین شواهد با لقوهای را از بین بردهاند. محققان در پژوهش دیگری گزارش دادند که آب کافی برای شکلگیری اقیانوسها از ابتدای شکلگیری زمین وجود داشته است.

برخلاف سنگها، کانیهایی به نام زیرکن در برابر هوازدگی و فرایندهای زمینشناسی بسیار مقاوم هستند و به همین دلیل برای درک شرایط زمین در دوران 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 تا حدی نشانه تناقض است، زیرا به فرضیه سرد بودن زمین در دوران اولیه اشاره دارد در حالی که فکر میشود زمین در آغاز شکلگیری دمای با لایی داشته که امکان وجود آب را از بین میبرد. با این حال، اگر این نظریه درست با شد، اثبات میشود که در آغاز شکلگیری زمین، به جای سطحی داغ و مذاب و جوی پر از دیاکسید کربن، سطح زمین بسیار شبیه به زمین امروزی (از نظر عایق حرارتی) بوده است. صفحات تکتونیک در زمین مقادیر زیادی گاز دیاکسید کربن را به دام میاندازند و در نتیجه اثرات گلخانهای را کاهش میدهند. همین امر باعث سرد شدن سطح زمین و شکلگیری سنگهای جامد و آب مایع میشود.

چه مقدار آب در زمین وجود دارد؟

اگرچه بیشتر سطح زمین توسط اقیانوسها پوشانده شده است، این اقیانوسها تنها بخش کوچکی از جرم سیاره را تشکیل میدهند. جرم اقیانوسهای زمین تنها ۰.۰۲۳ درصد جرم کل زمین است. تخمین زده میشود که نزدیک به ۱۰ به توان ۲۰ کیلوگرم آب نیز در در یاچهها، رودخانهها، آبهای زیرزمینی و بخار آب جوی وجود دارد. مقدار قابلتوجهی آب نیز در پوسته، گوشته و هسته زمین وجود دارد. اگرچه به دلیل نبود نمونههای متعدد، تخمین آب موجود در گوشته زمین دشوار است، اما تقریبا ۳ برابر جرم اقیانوسهای زمین، آب میتواند در گوشته زمین ذخیره شده باشد. حتی هسته زمین میتواند ۴ تا ۵ برابر آب اقیانوسها را در خود نگه داشته باشد.

آب در زمین از کجا آمده است؟

دانشمندان در پاسخ به این سوال، فرضیههای مختلفی را مطرح میکنند. در ادامه محتملترین این فرضیهها را مرور میکنیم.

آب کره زمین از منابع فراسیارهای تأمین شده است

آب دمای تراکم بسیار کمتری نسبت به سایر مواد سازنده سیارات مانند آهن و سیلیکات دارد. زمین در آغاز شکلگیری تنها یک پیشسیاره بوده و بسیار داغ بوده است. در این دوران امکان شکلگیری اقیانوسها همزمان با زمین وجود نداشته است. اما در فواصل دورتر از خورشید، آب میتوانسته متراکم شود و سیارههای کوچک یخی را شکل دهد. به همین دلیل ضروری است که اجرام فراتر از مرزی که یخبندی امکانپذیر است -مانند دنبالهدارها، اجرام فراتر از نپتون و شهابسنگهای غنی از آب- آب را به زمین برسانند. با این حال، زمان رسیدن آب به زمین همچنان سوالی باز است.

یک فرضیه ادعا میکند زمین نزدیک به ۴.۵ میلیارد سال پیش، وقتی که ۶۰ تا ۹۰ درصد اندازه جاری خود را داشت، سیارات یخی کوچک را به سمت خود کشیده و با انباشت آنها بر روی خود، رشد کرده است. در این سناریو، زمین میتوانست در این فرآیند آب را به شکلی در خود نگه دارد. این فرضیه با شباهت بین نسبت ایزوتوپ آب در که نترین شهابسنگها همسو است. اما این برای یافتن منشأ آب کره زمین کافی نیست.

یکی از مشکلات این فرضیه این است که نسبت ایزوتوپهای گاز نجیب جو زمین با نسبتهای گوشته آن متفاوت است که نشان میدهد آنها از منابع مختلفی شکل گرفتهاند. دانستن این نکته مهم است که مدلهای دینامیکی منظومه شمسی اولیه نشان میدهند اگر مشتری به خورشید نزدیکتر میشد، سیارکهای یخی غنی از آب میتوانستند به زمین نزدیک شوند.

آب در زمین از ابتدای شکلگیری منظومه شمسی وجود داشته است

نسبتهای ایزوتوپی مانند اثرانگشتهای شیمیایی بینظیر هستند که برای مقایسه آب در زمین و سایر مناطق منظومه شمسی مفید خواهند بود. یکی از این نسبتهای مهم، نسبت دوتریوم به هیدروژن است که به طور خاص در جستجوی منشأ آب روی زمین سودمند است. هیدروژن فراوانترین عنصر جهان است و ایزوتوپ سنگینتر آن (دوتریوم) گاهی میتواند به جای اتم هیدروژن در مولکول آب نقش ایفا کند. بیشتر دوتریوم در عالم در انفجارهای ابرنواختری شکل میگیرد. به همین دلیل گمان میرود این مولکول در سراسر سحابی گاز و غباری که در نهایت تبدیل به سازنده منظومه شمسی شد، وجود داشته است. بدین ترتیب میتوان گفت که آب کره زمین از کجا نشأت گرفته است.

سیارکها

مطالعات ژئوشیمیایی متعدد به این نتیجه رسیدهاند که سیارکها به احتمال زیاد منبع اولیه آب در زمین هستند. کندریتهای کربنی که زیرمجموعهای از که نترین شهابسنگهای منظومه شمسی هستند، مقادیر ایزوتوپی مشابه آب اقیانوسهای زمین دارند. در برخی گونههای کندریتها، به طور خاص مقادیری از نسبتهای ایزوتوپی هیدروژن و نیتروژن یافت میشود که کاملا با آب در یاهای زمین تطابق دارد. این امر مشخص میکند که به احتمال زیاد آب در این اجرام، منبع آب در 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 شدهاند و مدارهای بیضیشکلی دارند که آنها را به لایههای در ونی منظومه شمسی میآورد. وجود یخ در آنها و نوع مداری که به بخشهای در ونی منظومه شمسی ختم میشود، آنها را به کاندیدهای مناسبی برای تبیین وجود آب در زمین تبدیل میکند.

اندازهگیری ایزوتوپی نسبت دوتریوم به هیدروژن در دنبالهدارها توسط دانشمندان نشان داده است که آب اقیانوسهای زمین تنها از دنبالهدارها نشأت نگرفته است. دانشمندان با استفاده از این نسبت تخمین زدهاند که نزدیک به ۱۰ درصد منابع آب در زمین را دنبالهدارها تأمین کردهاند.

جمعبندی

در این مقاله، منشأ آب کره زمین را مرور کردیم. نظریههای مختلفی وجود دارند که میگویند 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 به مرور شکل گرفتهاند؟ دانشمندان برای پاسخ به این سوالات، از روشهای مختلفی مانند اندازهگیری عناصر گوناگون یا شبیهسازی دینامیکی منظومه شمسی و شکلگیری زمین استفاده کردهاند. هرچند پاسخ قطعی به این سوالات تا به امروز آشکار نیست، اما دانشمندان معتقدند مجموعهای از رخدادها باعث شده زمین امروزی پر از آب باشد.