Ziemska woda mogła powstać na miejscu, a nie przylecieć z kometami

Pytanie o pochodzenie wody pokrywającej dziś większą część powierzchni Ziemi od dawna nie daje spokoju naukowcom. Standardowe wyjaśnienie mówiło o kometach i planetoidach, które podczas zderzeń z młodą planetą miały dostarczać lodu. Nowe badania pokazują jednak inną drogę: część wody mogła powstać na miejscu, w okresie gdy Ziemia przypominała gigantyczny ocean roztopionej skały.

Zespół z Japonii zrekonstruował reakcje chemiczne, jakie mogły zachodzić pomiędzy wczesną atmosferą planety a jej stopionym wnętrzem. Z przeprowadzonych symulacji wynika, że przemiana wodoru w wodę mogła przebiegać w zaskakująco krótkim czasie. Przy sprzyjających warunkach osiągnięcie równowagi chemicznej między atmosferą a oceanem magmy zajęłoby około 10 tysięcy lat.

Ziemia była kulą rozgrzanej magmy. Skąd więc wzięła się woda?

Mniej więcej 4,5 miliarda lat temu nasza planeta nie przypominała dzisiejszej Ziemi. Nieustanne zderzenia z dużymi obiektami wprowadzały gigantyczne ilości energii, przez co spora część powierzchni oraz płaszcza pozostawała w stanie roztopionym. W takich warunkach nie istniały ani oceany, ani kontynenty, a ciekła woda nie miała szans utrzymać się na powierzchni przez dłuższy czas.

Przez wiele lat dominował pogląd, że większość ziemskiej wody dotarła później, głównie za sprawą bogatych w nią planetoid i komet. Kłopot polega na tym, że skład izotopowy wody pochodzącej z różnych ciał Układu Słonecznego nie zawsze pokrywa się z tym, co stwierdzamy na Ziemi. Do dziś trwają badania nad tym, jaka część wody przybyła z zewnątrz, a jaka mogła istnieć już w trakcie formowania się planety.

Serwis Spider's Web informował wcześniej o odkryciu wodoru w chondrytach enstatytowych - meteorytach, których skład przypomina materiał, z jakiego uformowała się Ziemia. Okazało się wówczas, że nawet skały uznawane za suche mogły wprowadzić do młodej planety spore ilości wodoru.

W kolejnym kroku naukowcy sprawdzili, co mogło się stać z tym wodorem. Zespół pod kierownictwem Tatsuyi Yoshidy opracował model łączący rozwój pierwotnej atmosfery z chemią zachodzącą wewnątrz oceanu magmy. Wyniki, opublikowane w czasopiśmie The Planetary Science Journal, wskazują, że oba te środowiska mogły razem przyczynić się do powstania wody.

Wodór z atmosfery trafiał do magmy. Tam zaczynała się chemia

Według proponowanego scenariusza młodą Ziemię otaczała atmosfera bogata w wodór, który mógł pochodzić zarówno z materii budującej planetę, jak i z dysku gazowego otaczającego młode Słońce. Poniżej tej atmosfery znajdował się rozległy ocean roztopionych skał bogatych w związki żelaza.

Decydujące znaczenie miały reakcje zachodzące w głębi planety. Pod wpływem ogromnego ciśnienia część żelaza zmieniała stopień utlenienia, a powstałe żelazo metaliczne mogło opadać ku jądru. Reszta materii stawała się przy tym bardziej utleniona, co sprzyjało reakcjom z wodorem.

Wodór z atmosfery przenikał do górnych warstw magmy, gdzie wchodził w reakcje z tlenowymi związkami żelaza. Efektem tych procesów była woda - mogła ona zostać rozpuszczona w roztopionej skale albo nadal uczestniczyć w wymianie materii z atmosferą.

Model uwzględnia też stałe mieszanie się magmy: chłodniejszy i gęstszy materiał przy powierzchni opadał, a jego miejsce zajmowały nowe porcje gorącej cieczy. Dzięki temu reakcje chemiczne nie zachodziły tylko w jednej warstwie, lecz mogły trwać nieprzerwanie.

Woda mogła powstawać przez tysiące lat, nie miliony

Najbardziej zaskakującym elementem symulacji jest tempo całego procesu. Kiedy ocean magmy był odpowiednio głęboki i gorący, wymiana wodoru pomiędzy atmosferą a stopionymi skałami zachodziła bardzo sprawnie. W takich okolicznościach układ mógł osiągnąć stan równowagi chemicznej już po około 10 tysiącach lat.

To znikomy odcinek czasu w zestawieniu z miliardami lat historii Ziemi. W niektórych wariantach symulacji pod koniec krzepnięcia oceanu magmy ponad 70 procent modelowanego wodoru i wody występowało już w formie H2O. Rezultat zależał jednak od przyjętej głębokości oceanu magmy oraz wyjściowych warunków chemicznych.

Autorzy badania zauważają, że gdyby młoda Ziemia miała odpowiednio duży zasób wodoru, opisany mechanizm mógłby tłumaczyć znaczną część dzisiejszych zasobów wody - także tej ukrytej we wnętrzu planety. To jednak nie oznacza, że udało się odtworzyć faktyczny przebieg powstawania oceanów. Badacze wykazali jedynie, że taki mechanizm był fizycznie wykonalny.

Warto dodać, że wcześniejsze analizy ziemskiego płaszcza sugerowały, iż minerały mogą przechowywać ogromne ilości wody. Najnowsze ustalenia dotyczą jednak znacznie wcześniejszego etapu - momentu, gdy planeta była jeszcze roztopiona, a woda dopiero zaczynała powstawać w wyniku reakcji chemicznych.

Czy komety i planetoidy przestają być potrzebne?

Nowe wyniki w żaden sposób nie obalają teorii o kosmicznym pochodzeniu wody na Ziemi. Naukowcy nie twierdzą, że komety i planetoidy nie wniosły żadnego wkładu - pokazują jedynie, że nie cała woda musiała trafić na planetę w gotowej postaci.

Istotne jest też rozróżnienie między pochodzeniem samej wody a pochodzeniem wodoru. Nawet jeśli cząsteczki H2O powstały już na młodej Ziemi, wodór potrzebny do ich utworzenia mógł zostać dostarczony wcześniej wraz z materią budującą planetę albo przechwycony z otaczającego ją gazu.

Tego typu scenariusze rozważano już w przeszłości, a nowe badanie uzupełnia je o bardziej szczegółowy opis transportu wodoru, zachodzących reakcji chemicznych oraz procesu krzepnięcia magmy. Sami autorzy przyznają, że wiele parametrów pozostaje niepewnych - zwłaszcza tempo reakcji zachodzących w ekstremalnie wysokich temperaturach.

Pochodzenie ziemskiej wody było do niedawna wymieniane wśród największych nierozwiązanych zagadek Układu Słonecznego. Nowy model nie przynosi ostatecznej odpowiedzi, ale sugeruje, że część rozwiązania mogliśmy do tej pory szukać w niewłaściwym miejscu.

Zamiast ograniczać się do szacowania, ile lodu dostarczyły komety i planetoidy, konieczne jest również zrozumienie chemii, jaka panowała na najwcześniejszym etapie istnienia Ziemi. Możliwe, że znaczna część wody, która później umożliwiła rozwój życia, powstała w czasach, gdy powierzchnia planety przypominała ocean ognia.