Jörðin – Uppruni vatns

Heimild:

.

Uppruni vatns á Jörðinni

Vatn finnst í talsverðu magni í Vetrarbrautinni, í sólkerfinu og á jörðinni þar sem það gegnir mikilvægu hlutverki í lífi eins og við þekkjum það. Það stuðlar m.a. að myndun lífrænna efnasambanda, sem eru nokkurs konar hráefni lífvera.

Vatn hafði mikil áhrif á þróun sólkerfisins. Þegar geimþokan sem myndaði sólkerfið féll saman þurrgufaði ísinn, sem var nálægt hinni nýfæddu sól, af rykkornum og þéttist aftur á önnur utar í sólkerfinu. Þannig hafði vatn talsverð áhrif á orkuflutning, massadreifingu, hverfiþunga og hitadreifingu í sólkerfisþokunni, sem að lokum hafði afgerandi áhrif á myndun reikistjarnanna.

Utan snælínu sólkerfisins, í 3 til 5 stjarnfræðieininga fjarlægð frá sólu, þar sem hitastigið var nógu lágt til að ísinn þurrgufaði ekki, mynduðust reikistjörnur, tungl og halastjörnur úr rokgjörnum efnum eins og vatni í ytra sólkerfinu, Kuipersbeltinu og Oortsskýinu.

Á jörðinni hefur vatn safnast saman með nokkrum ferlum. Stærstur hluti vatnsins virðist hafa borist til jarðar síðar frá hnöttum utan úr sólkerfinu. Í sögu jarðar kom oft fyrir að halastjörnur rákust á jörðina. Slíkir árekstrar léku stórt hlutverk í þróun jarðar, sér í lagi snemma í sögu hen- nar, fyrir milljörðum ára. Margir vísindamenn telja, að vatnið á jörðinni og lífræn efnasambönd sem komu lífinu af stað hafi, að mestu leyti, borist til Jarðar með halastjörnum og smástirnum.

1. Vatn í geimnum

Heimsmynd nútímavísinda gerir ráð fyrir að alheimurinn hafi átt sér heitt upphaf í Miklahvelli. Í Miklahvelli mynduðust aðeins þrjú léttustu frumefnin, upp að samsætunni ⁷Li, þar sem frumefnið, vetni, var langalgengast. Súrefni kom ekki til sögunnar fyrr en fyrstu sólstjörnurnar fóru að skína. Það varð til í kjarnasamruna fyrstu stjarnanna sem fylltu alheiminn ljósi og hita. Síðar, í köldum gas- og rykskýjum Vetrarbrautarinnar, frusu reikular sameindir saman við rykkorn. Efnaeiginleikar þessara ísrykkorna gerðu síðan myndun flóknari sameinda mögulega. Rannsóknir sýna að ís finnst í miklu magni í sameindaskýjum Vetrarbrautarinnar, þar sem um 10% súrefnisatómanna eru bundin í vatnsís [3].

Útblá geislun frá orkuríkum sólstjörnum tvístrar vatnssameindum, nema nógu mikið magn ryks veiti þeim skjól. Þessar aðstæður eru einmitt til staðar í þéttum og köldum sameindaskýjum sem stjörnur og reikistjörnur myndast í. Vatn gleypir einnig í sig innrauða geislun svo kortleggja má dreifingu vatns í sameindaskýjum með innrauðum geimsjónaukum eins og Spitzer, þar sem ljós frá bakgrunnsstjörnum berst í gegnum skýin. Útvarpssjónaukar eins og Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) í Atacamaeyðimörkinni í Chile gera okkur ennfremur kleift að rannsaka efnafræði vatns í köldum sameindaskýjum og stjörnumyndunarsvæðum.

1.1 Hlutfall vetnis og tvívetnis

Í náttúrunni finnast þrjár samsætur vetnis: ¹H (vetni), ²H (Deuterium eða tvívetni) og ³H (þrívetni). ¹H er langalgengust og telur raunar 99,98% af því vetni sem finnst í alheiminum. Tvívetni (²H), líka kallað þungt vetni, er næst algengasta samsætan. Tvívetni hefur eina róteind og eina nifteind en algengasta form vetnis hefur enga nifteind.

Tvívetni finnst í vatninu á Jörðinni þar sem það getur komið í stað venjulegs vetnis. Náttúrulegt vatn inniheldur eitt tvívetnisatóm fyrir hver 6500 vetnisatóm, þ.e. D/H = 0,015%. Þetta hlutfall er síðan hægt að bera saman við þekkt gildi í loftsteinum og halastjörnum og fá þannig vísbendingar um hvaðan stærstur hluti vatns á Jörðinni er uppruninn. Tafla hér undir sýnir nokkur þekkt hlutföll tvívetnis og vetnis. Innan frumskífunnar, sem sólkerfið myndaðist úr, hefur D/H hlutfallið haft talsverðan breytileika, háð þykkt skífunnar og fjarlægð frá sólinni.

Tafla yfir stjarnfræðileg D/H hlutföll. Gildið fyrir halastjörnurnar er meðaltal þriggja mæligilda.

2. Vatn í sólkerfinu

Vatn er eitt algengasta efnasamband sólkerfisins. Vatn var augljóslega til staðar í þokunni sem sólkerfið okkar varð til úr, en þar lék það lykilhlutverk í þróun þokunnar er hún féll saman og myndaði þá frumskífu sem að lokum þjappaðist saman í reikistjörnurnar og aðra hnetti. Fremur erfitt er að rannsaka vatn í sólkerfinu frá Jörðinni vegna þess hve mikil vatnsgufa er í lofthjúpi Jarðar. Slíkar rannsóknir eru því einkum gerðar frá hæstu og þurrustu stöðum jarðar, t.d. í Atacamaeyðimörkinni í Chile.

Við hitastig undir 180 K (-93°C) er vatn ávallt á föstu formi. Í árdaga sólkerfisins voru þessi hitastigsmörk að finna fyrir utan við svonefnda snælínu sólkerfisins, líklega í milli 3 til 5 stjarnfræðieininga (SE) fjarlægð frá sólinni [4]. Rannsóknir á smástirnum og loftsteinum, sem fallið hafa til Jarðar, renna stoðum undir þetta. Þær benda til þess að smástirni í 2 SE fjarlægð frá sólinni séu að mestu úr vatnsfirrtum efnum, á meðan smástirni í 3 SE fjarlægð eru að mestu úr vötnuðum silíkötum, leir, lífrænum efnum, karbónötum, súlfötum, magnetíti og öðrum járnoxíðum.

Vatnsís finnst á fjölmörgum hnöttum í ytra sólkerfinu. Mörg hinna nálega 200 fylgitungla sem fundist hafa á sveimi í kringum gas- og ísrisana hafa yfirborð úr vatnsís eða eru að langmestu leyti úr vatnsís. Eru þar Júpíterstunglið Evrópa og Satúrnusartunglið Enkeladus ef til vill þekktustu dæmin. Yfirborð þessara tungla eru mestmegnis blanda vatnsíss og annarra efna, bæði lífrænum og ólífrænum.

Líklegt er að langstærsti vatnsforði sólkerfisins leynist í úthverfunum. Handan brautar Neptúnusar er að finna hin svonefndu útstirni. Rannsóknir á þeim sýna glögg merki um vatnsís, metanís og niturís. Halastjörnur, vatnsríkir hnettir, lúra á ystu svæðum sólkerfisins og gætu átt talsverðan þátt í að færa Jörðinni vatn.

3. Þáttur halastjarna í vatnsbúskap Jarðar

Lengi hefur verið talið líklegt að halastjörnur eigi stóran þátt í því að færa jörðinni og öðrum reik- istjörnum innra sólkerfisins vatnið sem þar finnst. Mælingar á D/H hlutfalli í þremur halastjörnum — Halley, Hyakutake og Hale-Bopp — leiða í ljós ákveðið vandamál á einföldustu útgáfu þessarar tilgátu. Að meðaltali er D/H hlutfallið í halastjörnum 310 × 10⁻⁶ sem er tvöfalt hærra en í vatni á Jörðinni. Hafa ber í huga að þetta eru einu halastjörnurnar þar sem D/H hlutfallið hefur verið mælt. Allar eru þær taldar eiga rætur að rekja til Oortsskýsins en hafi engu að síður myndast um miðbik sólkerfisins (samanber niðurstöður Stardust og Deep Impact).

Annað hugsanlegt vandamál eru líkurnar á árekstrum milli Jarðar og halastjarna. Útreikningar benda til að líkurnar á jörðin verði fyrir árekstri halastjörnu séu ekki ýkja miklar eða um það bil einn á móti milljón fyrir dæmigerða halastjörnu [21].

4. Vatn á innri reikistjörnunum

Rannsóknir sýna að hnettir innra sólkerfisins eru fremur vatnssnauðar. Merkúríus er svo nálægt sól að allt vatn gufar þar hratt upp og streymir út í geiminn. Venus hefur líklega verið vatnsrík reikistjarna fyrr á tímum en glataði af einhverjum ástæðum öllu sínu vatni. Í dag er Venus næsta skraufþurr. Á Mars er dálítið um vatn, sennilega nóg til þess að líf gæti þar þrifist undir yfirborðinu. Jörðin er blautasta reikistjarna innra sólkerfisins en er engu að síður fremur þurr. Vatnið á Jörðinni telur nefnilega ekki nema 0,05–0,1% heildarmassans.

Í september árið 2009 tilkynntu stjörnufræðin- gar um uppgötvun á þunnri vatnsfilmu sem þekur stóran hluta yfirborðs tunglsins [31]. Í nóvember sama ár var tilkynnt um fyrstu niðurstöður Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (LCROSS) leiðan- gursins [30] þar sem skeyti var látið rekast á gíg á suðurpól tunglsins í þeirri von að þar leyndist vatnsís. Fyrstu niðurstöður bentu til þess að LCROSS hafi greint rúmlega 150 kg af vatni [10].

5. Vatn á Jörðinni

Tilgátur um uppruna vatns á jörðinni, dreifingu þess og myndunarsögu, er eitt mikilvægasta vandamál jarðefnafræðinnar. Þetta vandamál tengist nefnilega þremur öðrum viðlíka flóknum vandamálum: Uppruna Jarðar; efnaskiptingu kjarnans, möttulsins og skorpunnar og misleitni möttulsins [23].

Líkön af myndun reikistjarna sýna að reikistjörnur eins og Jörðin mynduðust líklega í skrefum í stað þess að vaxa jafnt og þétt samhliða aukinni efnissöfnun. Talið er að risaárekstrar hnatta á stærð við tunglið og Mars [7, 9] hafi haft gríðarleg áhrif á þróun reik- istjarnanna. Það tók Jörðina sennilega ekki nema 30 til 50 milljón ár að myndast með þessum öfgakennda hætti eftir að upphaflega þjöppunin hóf að eiga sér stað. Rannsóknir á samsætum hafníums og volframs, t.d. í tunglgrjóti, benda sterklega til að kjarni Jarðar hafði myndast á þessum tíma [14, 18, 19, 29, 33]. Talið er að lokaatburðurinn í kjarnamyndun Jarðar hafi verið risaáreksturinn sem myndaði tunglið. Við þessar hamfarir öðlaðist jörðin síðustu 10% massa síns eftir árekstur við hnött á stærð við Mars sem stundum er kallaður Þeia [6, 8, 20].

Þessi atburðarás hefur haft mikilvægar afleiðingar í för með sér fyrir uppruna og sögu vatns á Jörðinni. Þeir hnettir sem rákust á og mynduðu Jörðina gætu hafa komið djúpt innan úr innra sólkerfinu og því innihaldið breytilegt magn af vatni og öðrum rokgjörnum efnum [25, 26]. Við risaárekstrana var orkan slík að smærri hnettir gufuðu hreinlega upp svo reikulu efnin losnuðu samstundis. Við áreksturinn sem myndaði tunglið bráðnaði stór hluti Jarðar. Kvikuhaf varð til sem reikulu efnin leystust upp í en ljóst er að talsvert magn hefur einnig þeyst út í geiminn.

Áætlanir gera ráð fyrir að í vatnshvolfi Jarðar (lífhvolf Jarðar skiptist í berghvolf, vatnshvolf (höf, vötn, ár) og gufuhvolf) séu 1,6 × 10²¹ kg af vatni. Í jarðskorpunni eru einnig um 2 × 1021 kg af vatni. Óvíst er hvort þetta sé heildarmagn vatns á Jörðinni eða hluti þess. Lítið er vitað um vatn sem gæti mögulega verið í möttlinum og kjarnanum. Benda útreikningar til að 0,1 til 1,5 vatnshvolf gætu verið í möttlinum og allt að 100 vatnshvolf í kjarnanum [15, 32].

Vatn er nú einkum talið hafa borist með þremur ferlum til Jarðar, sem hvert fyrir sig lagði sitt af mörkum með einum eða öðrum hætti: (1) Vatn var bundið í þá frumhnetti sem þjöppuðust saman og mynduðu Jörðina. (2) Hin unga Jörð safnaði vetni og vatni beint úr frumþoku sólkerfisins sem síðan leystist upp í kvikuhafi Jarðar og losnaði út við eldgos. (3) Vatn og önnur reikul efni bárust til jarðar með vatnsríkum hnöttum eins og loftsteinum og halastjörnum, sér í lagi við síðbúnu risaárekstrahrinuna fyrir um fjórum milljörðum ára.

Halastjörnur eða loftsteinar?

Líklegt er að bæði halastjörnur og loftsteinar hafi borið með sér vatn til Jarðar. Spurningin er aðeins hvort lék veigameira hlutverk. Loftsteinar eru fremur taldir uppspretta reikulla efna af efnafræðilegum og aflfræðilegum ástæðum. D/H hlutfallið í kondrítloftsteinum [27, 28] er næstum alveg eins og hlutfallið er á Jörðinni eða um 150 × 10⁻⁶. Í þeim þremur halastjörnum sem mældar hafa verið er hlutfallið tvöfalt hærra eða um 310 × 10⁻⁶, en þær eiga allar rætur að rekja til Oortsskýsins eins og áður segir. Hugsanlegt er að sjaldgæfari ha- lastjörnur, sem eiga rætur að rekja til svæðisins mil- li Júpíters og Satúrnusar, hafi líkara D/H hlutfall og jörðin [11, 12].