داستان پیدایش آب در سیاره زمین

با توجه به نظریه‌‌ی پذیرفته‌شده از سوی اکثر دانشمندان، ما منشأ آب موجود روی زمین را از دنباله‌دارها و خرده سیاره‌ها می‌‌دانیم. اما قضیه به همین سادگی نیست و هنوز هم راز و رمزهایی در بطن آن پنهان است. یک مطالعه‌‌ی تازه نشان می‌دهد که احتمالاً حداقل همه‌‌ی آب موجود در زمین به این روش پدید نیامده است. هیدروژن فراوان‌ترین عنصر عالم است و این مهم‌‌ترین کلید ما در جستجو به‌‌دنبال منشأ آب در زمین است.

این مطالعه‌‌ی تازه توسط پیتر بیوسک، استاد هیئت‌علمی در دانشکده‌‌ی مطالعات زمین و فضا و نیز دانشکده‌‌ی علوم مولکولی در دانشگاه ایالتی آریزونا رهبری شده است. در این مطالعه، نویسندگان اظهار کرده‌‌اند که حداقل بخشی از هیدروژن، از سحابی خورشیدی (ابری از گاز و گردوغبار باقی‌مانده پس از تولد خورشید)، ایجاد شده است.

قبل از اینکه به جزئیات این مطالعه‌‌ی جدید برسیم، بهتر است تا نگاهی به نظریه‌‌ای بیندازیم که مدت‌‌هاست به‌عنوان نظریه‌‌ی غالب پذیرفته شده است.

منشأ آب در زمین؛ نظریه‌‌ی غالب

برای مدتی طولانی، بسیاری از دانشمندان باور داشتند که منشأ آب روی زمین، خرده‌‌سیاره‌ها و دنباله‌‌دارهایی است که با آن برخورد کرده‌‌اند.

در اینجا توضیحی خلاصه‌‌ و بسیار ساده از نظریه‌‌ی فراگیر مربوط به منشأ پیدایش آب روی کره‌‌ی زمین ارائه می‌شود:

داستان با تولد خورشید آغاز می‌شود. هنگامی که خورشید از ابر مولکولی تشکیل شد، بیشتر مواد موجود در این ابر را جذب کرد و مقدار کمی از آن برای تشکیل سیارات، خرده‌‌سیاره‌ها و ستاره‌های دنباله‌دار باقی ماند.

زمانی که خورشید با گداخت شعله‌‌ور شد، یک باد خورشیدی قدرتمند، مقدار زیادی هیدروژن را از لایه‌های خارجی خود به سمت نقاطی شلیک کرد که امروزه در آنجا سیارات سنگی (نظیر عطارد، ونوس، زمین، و مریخ) قرار دارند.

سحابی خورشیدی

دنباله‌دارها، اجرامی سنگی و یخ‌‌زده هستند که تصور می‌شود که حاوی مقادیر قابل‌توجهی هیدروژن باشند که از خورشید و دیگر سیارک‌‌ها به عاریه گرفته‌‌اند. این اجرام، با جذب هیدروژن، تبدیل به یکی از منابع اصلی این عنصر در جهان شده‌اند.

وقتی زمین شکل گرفت، مانند یک توپ مذاب بود و سطح آن با برخورد مکرر خرده‌‌سیاره‌ها، شکل تازه‌ای به خود می‌گرفت. منظومه‌‌ی شمسی در روزهای اولیه بسیار آشفته‌‌تر از آن چیزی بود که این روزها به ‌‌نظر می‌‌رسد.

وقتی خرده‌‌سیاره‌ها و ستاره‌های دنباله‌دار به زمین داغ برخورد ‌‌می‌‌کردند، آب و هیدروژن موجود در آن‌‌ها به‌‌سرعت بخار می‌‌شد. هنگامی که زمین به‌مرور زمان سرد شد، بخار آب ناشی از برخورد دنباله‌دارها و سیارک‌ها متراکم شد و در فضای اتمسفر زمین باقی ماند. شواهد مربوط به این موضوع در نسبت‌های ایزوتوپی نهفته است. نسبت ایزوتوپ هیدروژن سنگین (دتریوم) به هیدروژن معمولی یک امضای شیمیایی اختصاصی است.با در اختیار داشتن دو مقدار آب با نسبت ایزوتوپی یکسان، به این نتیجه می‌رسیم که این آب‌ها باید از یک منشأ باشند. آب‌‌ اقیانوس‌‌های زمین نیز نسبت ایزوتوپی یکسانی با آب موجود روی خرده‌‌سیاره‌ها دارند.

منشأ آب در زمین؛ نظریه‌‌ی شک‌برانگیز

دانشمندان از این گونه توجیه‌ها، رضایت کافی ندارند. آن‌ها همیشه سعی می‌کنند درک بهتری از پدیده‌‌ها داشته باشند و از این رو، همواره نظریه‌‌ی «آب ناشی از دنباله‌دارها» را زیر سؤال می‌‌بردند.

در سال ۲۰۱۴، برخی از دانشمندان این مسئله را با بررسی شهاب‌‌سنگ‌‌ها در سنین مختلف، مورد مطالعه قرار دادند (شهاب‌‌سنگ‌‌ها، خرده‌‌سیاراتی هستند که به زمین برخورد می‌‌کنند). ابتدا آن‌‌ها روی شهاب‌‌سنگ‌‌هایی با نام «شهاب‌‌سنگ‌‌های کندریت کربن‌‌دار» تمرکز کردند. این گونه، قدیمی‌ترین شهاب‌‌سنگ‌‌هایی هستند که ما می‌شناسیم و در همان دورانی تشکیل شدند که خورشید ما متولد شد. آن‌ها سنگ‌بناهای اصلی سیاره‌ی زمین محسوب می‌‌شوند.

سپس، آن‌ها دسته‌ای از شهاب‌‌سنگ‌‌ها را مورد مطالعه قرار دادند که تصور می‌کنیم از سیارک عظیم وستا نشأت گرفته‌‌ باشند. وستا در محل شکل‌‌گیری کره‌‌ی زمین در زمانی حدود ۱۴ میلیون سال پس از تولد منظومه‌ی شمسی، شکل گرفت.

ایده‌ی غالب این بود که همه‌ی آب زمین، از برخورد دنباله‌دارها و سیارک‌ها حاصل شده است

طبق مطالعه‌‌ای که در سال ۲۰۱۴ انجام گرفت، ترکیب شهاب‌‌سنگ‌‌های باستانی، شباهت فراوانی با دیگر اجرام موجود در منظومه‌ی شمسی داشت و علاوه‌بر این، مقدار زیادی آب در آن‌ها یافت شد؛ بنابراین به‌‌عنوان منشأ آب موجود در زمین پذیرفته شدند.

اندازه‌گیری‌ها در این مطالعه، نشان داد که این شهاب‌‌سنگ‌‌ها، ترکیب شیمیایی مشابه با کندریت‌‌های کربن‌‌دار و دیگر سنگ‌‌هایی دارند که روی زمین یافت می‌شوند. آن‌ها به این نتیجه رسیدند که کندریت‌‌های کربن‌‌دار به احتمال فراوان، رایج‌ترین منبع آب هستند.

در همان زمان، هورست مارشال، یکی از نویسندگان این مطالعه اظهار کرد:

این مطالعه نشان می‌دهد که آب در زمین احتمالاً همزمان با شکل‌‌گیری سنگ‌‌ها، ایجاد شده و سیاره‌‌ی زمین در قالب یک سیاره‌‌ی مرطوب با آب‌‌های سطحی روی آن، شکل گرفته است.

گروهی که مسئول این مطالعه بود، اذعان کرده است که برخی از این آب‌‌ها از برخوردها حاصل شده‌‌اند؛ این ایده ما را به سمت مطالعه‌‌ی تازه هدایت می‌‌کند که مؤید نتایج مطالعه‌‌ی انجام‌‌شده در سال ۲۰۱۴ است.

منشأ آب در زمین؛ همه‌‌چیز درمورد هیدروژن

نویسندگان مطالعه‌‌ی تازه بر این باورند که اقیانوس‌‌ها و نسبت‌‌های ایزوتوپی آن‌‌ها، ممکن است کل داستان را روایت نکنند. استیون دچ، استاد فیزیک نجومی در دانشکده‌‌ی مطالعات زمین و فضا از دانشگاه ایالتی آریزونا گفت:

وقتی مردم نسبت ایزوتوپی [دوتریوم به هیدروژن] در آب اقیانوس‌ها را اندازه‌گیری می‌کنند، می‌‌بینند که این نسبت، به آنچه که در خرده سیاره‌ها دیده می‌‌شود، بسیار نزدیک است؛ البته جای سرزنشی هم وجود ندارد. این مدرک، بسیار متقاعدکننده است.

دچ و دیگر نویسندگان این مطالعه‌ی جدید به پژوهشی که در سال ۲۰۱۵ منتشر شد، اشاره می‌‌کنند؛ این پژوهش نشان می‌دهد که اقیانوس‌ها ممکن است اولین آب‌‌های روی زمین نبوده باشند.

ممکن است اقیانوس‌ها بین سطح زمین و ذخایر عمیق‌‌‌تری از آب در اعماق زمین در چرخه باشند. این قضیه می‌تواند منجر به تغییر نسبت ایزوتوپی آب به‌مرور زمان شده باشد. چنین فرضی این ایده را تقویت می‌کند که ممکن است آب‌‌های عمیق‌تر، دست‌کم منشأ بخشی از نخستین آب‌‌های موجود در زمین باشند. احتمال دارد که این آب مستقیماً از سحابی خورشید نشأت گرفته باشد و نه دنباله‌دارها و خرده‌‌سیاره‌‌ها.

این مطالعه، یک مدل نظری جدید از تشکیل زمین را ارائه می‌‌کند که به توضیح علت تفاوت‌های میان هیدروژن موجود در اقیانوس‌ها و هیدروژن موجود در لایه‌‌ی مرزی گوشته و هسته‌‌ی زمین کمک می‌‌کند.

در مرکز زمین آب‌هایی وجود دارد که مستقیماً از سحابی خورشیدی آمده‌اند

مدل جدید می‌گوید که میلیاردها سال پیش، خرده‌‌سیاره‌هایی بزرگ با ذخایر آب درونی به شکل سیارات درآمده‌‌اند که در یک سحابی خورشیدی به دور خورشید می‌چرخیده‌‌اند. این مجموعه‌‌‌ی سیارات بدوی متحمل برخورد‌‌هایی پی‌درپی شدند و به‌‌سرعت توسعه یافتند.

آن‌ها می‌گویند در نهایت، یک برخورد قدرتمند، سطح بزرگ‌ترین سیاره‌‌ی بدوی را به اقیانوسی از مواد مذاب تبدیل کرده است. این سیاره بدوی بعدها به زمین تبدیل شد.

این سیاره‌‌ی بدوی از جاذبه‌‌ی کافی را برای نگه‌داشتن یک اتمسفر برخوردار بود و گازهایی نظیر هیدروژن (فراوان‌ترین عنصر جهان) را از سحابی خورشیدی جذب کرد. هیدروژن موجود در سحابی خورشیدی حاوی مقادیر کمتری دوتریوم بوده و سبک‌تر از هیدروژن موجود در سیارک‌ها است. این هیدروژن در اقیانوس ماگمای جاری روی سطح زمین حل شد.

هیدروژن به‌‌کمک فرآیندی به‌‌نام تقسیم‌‌بندی ایزوتوپی به سمت مرکز زمین کشیده شد؛ به این صورت که هیدروژن توسط آهن جذب شد و همراه با آن به هسته‌ی زمین رفت.

دوتریوم (ایزوتوپ سنگین هیدروژن)، در ماگما باقی ماند؛ این ماگما پس از سرد شدن، گوشته‌‌ی زمین را تشکیل داد. تداوم برخوردهای بعدی با اجرام آسمانی دیگر،  آب و جرم بیشتری را با خود به زمین آورد تا زمانی که زمین به جرم فعلی خود رسید.

نکته‌‌ی کلیدی در این مدل جدید، آن است که هیدروژن هسته‌‌ی زمین متفاوت از هیدروژن موجود در گوشته و اقیانوس‌‌ها است. آب درون هسته، دوتریوم کمتری دارد.

این مدل جدید به پژوهشگران اجازه داد تا مقدار آبی را که از طریق برخورد سیارک‌‌ها به زمین رسیده، برآورد کنند و  آن را با مقدار آبی که هنگام تشکیل زمین، از سحابی شمسی جذب شده، مقایسه کنند. ولی آن‌‌ها چه نتیجه‌‌ای گرفتند؟

جون وو، استادیار پژوهشی در دانشکده‌‌ی علوم مولکولی و دانشکده‌‌ی مطالعات زمین و فضا در دانشگاه ایالتی آریزونا و مؤلف اصلی این مطالعه می‌‌گوید:

برای هر ۱۰۰ مولکول آب در زمین، تنها یک یا دو مولکول از سحابی خورشیدی نشأت گرفته‌‌اند.

نتیجه‌گیری؛ قضیه تنها منشأ آب در زمین نیست

این مطالعه، بیانگر یک دیدگاه جدید در زمینه‌‌ی شکل‌گیری سیاره، توسعه و چگونگی شکوفایی زندگی در یک سیاره‌‌ی جوان است.

قبلاً ما فکر می‌کردیم که حیات تنها می‌‌تواند در سیاره‌ای شکل گیرد که در یک منظومه‌‌ی شمسی با تعداد کافی از خرده‌‌سیاره‌ها و ستاره‌های دنباله‌دار قرار گرفته باشد. اما ممکن است واقعاً این‌‌طور نباشد. در منظومه‌‌های خورشیدی دیگر، سیارات مشابه با زمین، به سیارک‌‌هایی با ذخایر آبی فراوان دسترسی ندارند.

نظریه‌ی جدید، احتمال یافتن حیات را در سیاراتی با شرایطی مشابه زمین، تقویت می‌کند

این مطالعه‌‌ی جدید نشان می‌دهد که یک سیاره‌‌ی قابل سکونت ممکن است آب را از سحابی خورشیدی منظومه‌‌ی خودش گرفته باشد؛ همان‌طور که زمین نیز بیشتر حجم آب را در داخل خود پنهان کرده است. زمین تقریباً دو اقیانوس در گوشته‌‌ی خود و احتمالاً ۴ یا ۵ اقیانوس در هسته‌‌ی خود دارد. دیگر سیارات خارج منظومه‌‌ای نیز ممکن است چنین شرایطی داشته باشند.

جوون وو می‌‌گوید:

این مدل نشان می‌دهد که احتمال شکل‌گیری آب در هر سیاره‌‌ی سنگی با اندازه‌ی مناسب در منظومه‌‌های شمسی دیگر وجود دارد. من فکر می‌کنم این بسیار هیجان‌انگیز است.

با این حال، یک نکته‌‌ی هشدار‌‌دهنده در این مدل جدید وجود دارد و آن تقسیم‌‌بندی هیدروژن است. هنوز مشخص نیست که چگونه نسبت دوتریوم به هیدروژن، هنگام حل شدن این عنصر در آهن، تغییر کرده است. این موضوع در مرکز محوریت این مدل جدید است و لازم بود که در این مطالعه‌‌ بررسی می‌‌شد.

به‌طور کلی، این مطالعه‌‌ی تازه با تحقیقات دیگری انجام‌‌گرفته درمورد آب‌‌های زمین همخوانی دارد. هنگامی که پژوهش‌‌ها در مورد تقسیم‌‌بندی هیدروژن کامل شود، مدل جدید را می‌توان با دقت بیشتری آزمایش کرد.