آب کره زمین از کجا آمده است؟ مروری بر نحوه پیدایش آب در زمین

به‌عبارت دیگر، منشأ آب کره زمین چیست؟ پاسخ به این سؤالات می‌تواند در درک منشأ حیات روی زمین کمکمان کند و به ما بیاموزد چه انتظاری می‌توانیم از آب در سیارات دیگر ازجمله سیارات فراخورشیدی داشته باشیم.

منشأ آب در کره زمین

به گزارش دیجیاتو، منشأ آب در کره زمین موضوع مجموعه‌ای از تحقیقات در زمینه‌های علوم سیاره‌ای، نجوم و اخترزیست‌شناسی است. زمین به‌دلیل داشتن اقیانوس‌هایی از آب مایع میان سیارات سنگی منظومه شمسی منحصربه‌فرد است.

آب مایع که برای همه اشکال شناخته‌شده حیات ضروری است، به‌راحتی در زمین یافت می‌شود؛ زیرا این سیاره در فاصله کافی از خورشید قرار دارد تا در اثر تبخیر آب خود را از دست ندهد. از طرفی آن‌قدر هم از خورشید دور نیست که آب یخ بزند و زندگی منجمد شود!

نظریه‌های متعددی درمورد چگونگی پیدایش یا شکل‌گیری آب در کره زمین وجود دارد. بیشتر این نظریه‌ها به 2 دسته تقسیم می‌شوند: یا زمین با پیش‌سازهای مولکولی آب متولد شده است یا سنگ‌های فضایی مملو از آب مانند سیارک‌ها و دنباله‌دارها آب را پس از شکل‌گیری زمین به این سیاره آورده‌اند.

بسیاری‌ از این نظریه‌ها با هم سازگارند؛ زمین می‌توانست آب خود را از منابع مختلف دریافت کند. این امر اوضاع را کمی پیچیده می‌کند. اما دانشمندان مداوم درحال اصلاح مدل‌هایی از منظومه شمسی اولیه‌اند تا دریابند منشأ آب کره زمین چیست.

تاریخچه آب کره زمین

یکی از پارامترهایی که برای تخمین زمانی که آب روی زمین ظاهر شد، به دانشمندان کمک می‌کند این است که آب مداوم در فضا از دست می‌رود؛ به بیان ساده‌تر، مولکول‌های آب در جو تجزیه می‌شوند و اتم‌های هیدروژن که آزاد شده‌اند، گاهی می‌توانند از کشش گرانشی زمین فرار کنند. زمانی که زمین جوان‌تر بود و جرم کمتری داشت، آب به‌راحتی می‌توانست در فضا از گرانش زمین فرار کند.

انتظار می‌رود عناصر سبک‌تر مانند هیدروژن و هلیوم مداوم از جو نشت کنند اما نسبت‌های ایزوتوپی گازهای سنگین‌تر در جو زمین کنونی می‌توانند نشان‌دهنده میزان ازدست‌رفتن آب در زمین در طول تاریخ باشند، البته عناصر سنگین‌تر نیز زمانی که زمین جوان بود، در معرض تلفات قابل‌توجهی قرار داشتند؛ برای مثال می‌توان از فراوانی زنون در محاسبات ازدست‌دادن آب طی زمان استفاده کرد.

زنون به‌دلیل اینکه گاز نجیبی است، از طریق واکنش‌های شیمیایی با عناصر دیگر در جو حذف نمی‌شود. مقایسه میان ۹ ایزوتوپ پایدار زنون در جو کنونی زمین نشان می‌دهد زمین از ابتدای شکل‌گیری تاکنون حجم آبی به‌اندازه یک اقیانوس را از دست داده است.

دانشمندان باور دارند هرگونه آب روی زمین در دوره‌ای که سنگی به اندازه مریخ با زمین برخورد کرد و سبب شکل‌گیری ماه شد (حدود  ۴.۵ میلیارد سال  پیش) از بین رفت. به بیان دیگر، این برخورد احتمالاً سبب شده بخش زیادی از آب در پوسته زمین و گوشته بالایی آن تبخیر شود و جوی از بخار در اطراف سیاره زمین تشکیل شود.

احتمالاً حدود 2 هزار سال طول کشیده تا این بخار آب متراکم شود و مواد فرّاری را از خود به‌جای بگذارد که عمدتاً شامل دی‌اکسید کربن، هیدروژن و بخار آب بوده است. پس‌ازآن، باوجود آنکه دمای زمین حدود ۲۳۰ درجه سانتی‌گراد بوده است، به‌دلیل افزایش فشار جوی گاز دی‌اکسید کربن اقیانوس‌های آب مایع شکل گرفته‌اند.

شواهد زمین‌شناسی به محدودکردن چارچوب زمانی برای آب مایع موجود در زمین نیز کمک می‌کند. نمونه‌ای از سنگ « بازالتی بالشتی »، نوع سنگ تشکیل ‌ دهنده طی فوران زیر آب، شواهدی را ارایٔه می‌دهد که نشان می‌دهد آب در  ۳.۸ میلیارد سال  پیش روی زمین وجود داشته است.

مطالعه دیگری نیز نشان داده آب در سنگ‌هایی با سن  ۴.۲۸ میلیارد سال  وجود دارد. این دیرینه‌ترین نمونه سنگ یافت‌شده حاوی آب است. شاید اقیانوس‌ها زودتر از این زمان در زمین وجود داشته‌اند اما ما اطلاعی از آن‌ها نداریم؛ زیرا شواهد زمین‌شناسی برای اثبات آن کشف نشده است، ممکن است به این دلیل باشد که احتمالاً فرایندهای زمین‌شناسی مانند بازیافت پوسته زمین چنین شواهد بالقوه‌ای را از بین برده باشند. محققان در پژوهش دیگری درنهایت 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 استفاده می‌شوند. شواهد کانی‌شناسی نشان می‌دهد آب مایع باید بیش از  ۴.۴ میلیارد سال  پیش؛ خیلی زودتر از شکل‌گیری زمین، وجود داشته باشد.

این تا حدودی نشانه تناقض است؛ زیرا به فرضیه سرد بودن زمین در دوران اولیه اشاره می‌کند درحالی‌که تصور می‌شود زمین اوایل شکل‌گیری دمای بالایی داشته که امکان وجود آب را از بین می‌برده است.

بااین‌حال، اگر این نظریه درست باشد، اثبات می‌شود که اوایل شکل‌گیری زمین، به‌جای سطحی داغ و مذاب و جوی پر از دی‌اکسید کربن، سطح زمین بسیار شبیه زمین امروزی (از نظر عایق حرارتی) بوده است.

صفحات تکتونیک در زمین مقادیر زیادی گاز دی‌اکسید کربن را به دام می‌اندازند؛ درنتیجه اثرات گلخانه‌ای را کاهش می‌دهند. همین امر منجر به سرد شدن سطح زمین و تشکیل سنگ‌های جامد و آب مایع می‌شود.

چقدر آب در زمین وجود دارد؟

درحالی‌که بیشتر سطح زمین را اقیانوس‌ها پوشانده‌اند، این اقیانوس‌ها فقط بخش کوچکی از جرم سیاره را تشکیل می‌دهند. جرم اقیانوس‌های زمین فقط ۰/۰۲۳ درصد جرم کل زمین است. تخمین زده می‌شود که حدود 10 به توان 20 کیلوگرم آب نیز در دریاچه‌ها، رودخانه‌ها و آب‌های زیرزمینی و بخار آب جوی وجود داشته باشد.

مقدار قابل‌توجهی آب نیز در پوسته، گوشته و هسته زمین وجود دارد. درحالی‌که به‌دلیل نبود نمونه‌های متعدد، تخمین آب موجود در گوشته زمین دشوار است، تقریباً 3 برابر جرم اقیانوس‌های زمین، آب می‌تواند در گوشته زمین ذخیره شود. همچنین هسته زمین می‌تواند 4 تا 5 برابر آب اقیانوس‌ها را در بربگیرد.

آب در زمین از کجا آمده است؟

دانشمندان در پاسخ این سؤال، فرضیه‌های مختلفی مطرح می‌کنند. در ادامه محتمل‌ترین فرضیه‌ها را بررسی می‌کنیم.

آب کره زمین از منابع فراسیاره‌ای تأمین شده است

آب دمای تراکم بسیار کمتری نسبت به سایر مواد تشکیل‌دهنده سیارات مثل آهن و سیلیکات دارد. زمین اوایل شکل‌گیری فقط پیش‌سیاره بوده و بسیار داغ. در این دوران امکان شکل‌گیری اقیانوس‌ها هم‌زمان با زمین وجود ندارد.

اما در فواصل دورتر از خورشید، آب می‌توانسته متراکم شود و سیاره‌های کوچک یخی را شکل دهد؛ بنابراین ضروری است اجرام فراتر از مرزی که یخبندان ممکن است -مانند دنباله‌دارها، اجرام فراتر از نپتون و شهاب‌های غنی از آب- آب را به زمین برسانند. بااین‌حال، زمان رسیدن آب به زمین هنوز سؤال است.

فرضیه‌ای ادعا می‌کند زمین حدود ۴.۵ میلیارد سال، زمانی که  ۶۰ تا ۹۰ درصد  اندازه فعلی خود بود، سیارات یخی کوچک را به‌سمت خود کشیده و به‌تدریج با انباشته‌کردن آن‌ها روی خود، رشد کرده است.

در این سناریو، زمین می‌توانست در این فرایند آب را به‌شکلی در خود حفظ کند. این فرضیه با شباهت میان فراوانی و نسبت ایزوتوپ آب بین قدیمی‌ترین شهاب‌سنگ‌ها تأیید می‌شود. اما این برای پیداکردن 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 تشکیل شده‌اند. جالب است بدانید مدل‌های دینامیکی منظومه شمسی اولیه نشان می‌دهند اگر مشتری به خورشید نزدیک‌تر می‌شد، سیارک‌های یخی مملو از آب می‌توانستند به زمین نزدیک شوند.

آب در زمین از ابتدای شکل‌گیری منظومه شمسی وجود داشته است!

نسبت‌های ایزوتوپی مانند اثرانگشت شیمیایی منحصربه‌فرد هستند که برای مقایسه آب در زمین و سایر مناطق منظومه شمسی استفاده می‌شوند. یکی از این نسبت‌های ایزوتوپی مهم نسبت دوتریوم به هیدروژن است که به‌ویژه در جستجوی منشأ آب روی زمین مفید است.

هیدروژن فراوان‌ترین عنصر جهان است و ایزوتوپ سنگین‌تر آن (دوتریوم) گاهی می‌تواند به‌جای اتم هیدروژن در مولکول آب ایفای نقش کند. بیشتر دوتریوم در عالم در انفجارهای ابرنواختری شکل می‌گیرد؛ بنابراین احتمال دارد این مولکول در سراسر سحابی گاز و غباری که درنهایت منجر به تشکیل منظومه شمسی شد، وجود داشته است؛ به‌این‌ترتیب می‌توان توضیح داد که آب کره زمین از کجا نشأت گرفته است.

سیارک‌ها

مطالعات ژیٔوشیمیایی متعدد به این نتیجه رسیده‌اند که سیارک‌ها به احتمال زیاد منبع اولیه آب در زمین هستند. کندریت‌های کربنی که زیرمجموعه‌ای از قدیمی‌ترین شهاب‌سنگ‌های منظومه شمسی هستند، مقادیر ایزوتوپی شبیه آب اقیانوس‌ها در زمین دارند. در برخی گونه‌های کندریت‌ها، به‌طور خاص مقادیری از سطوح ایزوتوپ‌های هیدروژن و نیتروژن یافت می‌شود که کاملاً با آب دریاها در زمین تطابق دارد. این نشان می‌دهد که احتمالاً آب در این اجرام منبع آب در زمین بوده است.

علاوه‌براین، مطالعه ساختار سیارک‌ها نشان داده است که عمده آب در زمین از اتم‌های هیدروژن حمل‌شده بر ذرات باد خورشیدی است که با اکسیژن موجود در سیارک‌ها ترکیب شده و به‌شکل آب درآمده است.

دنباله‌دارها

دنباله‌دارها اجرامی به ابعاد چند کیلومتر هستند که از غبار و یخ تشکیل شده‌اند و مدارهای بیضی شکلی دارند که آن‌ها را به درون منظومه شمسی می‌آورد. وجود یخ در آن‌ها و نوع مداری که به لایه‌های درونی منظومه شمسی ختم می‌شود، آن‌ها را به کاندیدهای مناسبی برای تفسیر وجود آب در زمین تبدیل می‌کند.

اندازه‌گیری ایزوتوپی نسبت دوتریوم به هیدروژن در دنباله‌دارها توسط دانشمندان نشان داده است که آب اقیانوس‌ها در زمین فقط از دنباله‌دارها نشأت نگرفته است. دانشمندان با استفاده از این نسبت تخمین زده‌اند که حدود 10 درصد منابع آب در زمین را دنباله‌دارها تأمین کرده‌اند.

جمع بندی

در این مقاله، منشأ آب کره زمین را بررسی کردیم. نظریه‌های مختلفی وجود دارند که بیان می‌کنند آب در زمین چطور شکل گرفته است. آیا آب به طریقی به زمین آورده شده است یا شرایط در زمین به نحوی بوده که مولکول‌های آب به‌مرور شکل گرفته‌اند؟

دانشمندان برای پاسخ به هریک از این سؤالات، از روش‌های مختلفی مانند اندازه‌گیری فراوانی عناصر یا شبیه‌سازی دینامیکی منظومه شمسی و شکل‌گیری زمین استفاده کرده‌اند. هرچند پاسخ این سؤالات هنوز به‌صورت قطعی مشخص نیست اما دانشمندان باور دارند مجموعه‌ای از رخدادها سبب شده زمین اکنون مملو از آب باشد.