Przejdź do treści

Pochodzenie wody na Ziemi – nowe badania

Zdjęcie Ziemi wykonane przez sondę OSIRIS-REx

Skąd wzięła się woda na Ziemi? Dzięki jednemu z najstarszych meteorytów na naszej planecie można wnioskować, że woda była obecna w tym rejonie Układu Słonecznego jeszcze przed uformowaniem Ziemi.

Niektóre spośród pierwszych utworzonych w Układzie Słonecznym minerałów mogą pokazać skąd wzięła się woda na Ziemi.

Meteoryty czasem zawierają inkluzje wapniowo-glinowe (calcium-aluminum-rich inclusions, w skrócie CAI) złożone z minerałów wytworzonych w gorącej mgławicy słonecznej – chmurze gazu i pyłu, z której powstało Słońce i planety. Gdy mgławica się ochładzała, one były pierwszymi skałami, które przechodziły do stanu stałego w ciągu pierwszych 200 tys. lat historii Układu Słonecznego.

Te relikty przechowały się wewnątrz planetoid. Obecnie można je odkryć w prymitywnych meteorytach – i poznać środowisko, w jakim się formowały.

Jérôme Aléon z Narodowego Muzeum Historii Naturalnej we Francji wraz z zespołem przebadał wodór zawarty w kilku CAI w meteorycie Efremovka znalezionym w Kazachstanie w 1962 roku.

Przez długi czas astronomowie sądzili, że planety skaliste tworzyły się zbyt blisko Słońca, by mogła się na nich znajdować woda. Zatem, zgodnie z tym rozumowaniem, planety musiały być suche gdy powstawały, a woda miałaby się na nie dostać dzięki „wilgotnym” skałom takim jak komety i planetoidy, przychodzącym z zewnętrznych części Układu Słonecznego.

W ostatnich latach odkryto jednak, że woda z wewnętrznych (znajdujących się wewnątrz orbity Ziemi) i zewnętrznych części Układu Słonecznego nie jest jednakowa. Różnica tkwi w atomach wodoru wchodzących w skład cząsteczek wody. Ułamek tych atomów posiada dodatkowy neutron, co nie zmienia właściwości chemicznych, lecz zwiększa masę cząstki. Te ciężkie atomy wodoru znane są jako deuter (D).

Stosunek deuteru do najpopularniejszego izotopu wodoru (stosunek D/H) w wodzie wiąże się z jej pochodzeniem. Wiele procesów zwiększa D/H z upływem czasu, gdyż H łatwiej wchodzi w reakcje, łatwiej też może zostać wybity z cząsteczki przez promieniowanie, natomiast cięższy deuter raczej pozostaje na swoim miejscu.

Ku swemu zaskoczeniu, Aléon z zespołem znaleźli dwa różne stosunki D/H w CAI meteorytu Efremovka. Pierwszy sygnał pochodził z prymitywnego minerału wewnątrz większej inkluzji bogatej w wapń i glin, która zachowała minerał przez eony. Minerał ten miał skrajnie niską zawartość deuteru, z D/H znacznie niższym, niż w wodzie oceanicznej na Ziemi. Zespół uważa, że skondensował się bezpośrednio z mgławicy słonecznej. Jego zawartość deuteru jest zgodna z przewidzianą przez teorię, lecz według Aléona to pierwszy przypadek, gdy w meteorycie wykryto tak niski stosunek D/H.

Zespół przeanalizował też inne minerały zawierające utlenione żelazo i odkrył, że były one wystawione na działanie pary wodnej zanim macierzysta planetoida przechwyciła te odłamki. Owe fragmenty także przechowały się w dużej inkluzji CAI, lecz ich stosunki D/H były zbliżone do wody oceanicznej.

Dwa tak różne wyniki mają sens jedynie jeśli minerały, które zostały spułapkowane jako pierwsze, stykały się wyłącznie z pierwotnym gazowym wodorem bez wody i bez deuteru, zaś te, które były wystawione na działanie otoczenia nawet odrobinę później spotkały gaz z większą zawartością wody i z takim składem izotopowym wodoru jak ziemski. 

CAI zwykle formują się w wewnętrznej krawędzi dysku protoplanetarnego – tam, gdzie utworzyły się planety. Zatem, jeśli tam napotykały gaz bogaty w deuter, to oznacza, że sam dysk zawierał parę wodną o składzie izotopowym wodoru identycznym z ziemskim.

Według Aléona, ten gaz jest dokładnie taki jak wodór na Ziemi, więc mają to samo źródło, a ponieważ gaz jest starszy (był pierwszy), to prawdopodobnie właśnie on stanowi źródło wodoru obecnego na Ziemi.

Naukowcy sugerują, że ta woda przybyła z ośrodka międzygwiazdowego, gdy zapadła się mgławica słoneczna. Byłaby wówczas już bogata w deuter ze względu na reakcje chemiczne zachodzące w zimnej przestrzeni między gwiazdami. To, że część minerałów nie zawiera wiele deuteru, a inne zawierają, pokazuje, że ten przypływ wystąpił we wczesnej części historii Układu Słonecznego.

Naukowcy oceniają, że to spójna hipoteza, zgodna z modelami ewolucji dysku protoplanetarnego i wynikami obserwacji, a ponadto w prosty sposób je wyjaśniająca.

 

Więcej informacji:

Źródło: Nature Astronomy

Opracowanie: Gabriela Opiła
 

Na ilustracji: Zdjęcie Ziemi, w tym Pacyfiku, wykonane przez sondę OSIRIS-REx po drodze na planetoidę Bennu. Źródło: NASA/Goddard/Uniwersytet w Arizonie.

Reklama