آب زمین از کجا آمده است؟ مروری بر منشا آب در زمین

زندگی ما به آب بستگی دارد. به سختی 71 درصد سیاره ما پوشیده از آب است. بدن کودکان در حدود 78 درصد آب و بدن بالغ تقریبا 60 درصد آب تشکیل می شود. ما نمی توانیم بیش از چند روز بدون آب زنده بمانیم. این مایع گرانبها که سیال حیات نیز نامیده می شود از کجا می آید؟ به عبارت دیگر منشا آب در کره زمین چیست؟ پاسخ به این پرسش‌ها می‌تواند به ما در درک منشأ حیات روی زمین کمک کند و به ما بیاموزد که از آب در سیارات دیگر، از جمله سیارات فراخورشیدی چه انتظاری داشته باشیم.

منشا آب در زمین

منشا آب در زمین موضوع یک سری تحقیقات در زمینه علوم سیاره شناسی، نجوم و اختر زیست شناسی است. زمین در داشتن اقیانوس های آب مایع در میان سیارات سنگی منظومه شمسی منحصر به فرد است. آب مایع، ضروری برای تمام اشکال حیات شناخته شده، به راحتی در زمین در دسترس است. زیرا این سیاره در فاصله کافی از خورشید قرار دارد تا در اثر تبخیر آب خود را از دست ندهد. از طرفی دور از خورشید نیست که آب یخ می زند و زندگی یخ می زند!

چندین نظریه در مورد چگونگی تشکیل آب در زمین وجود دارد. بیشتر این نظریه ها به دو دسته تقسیم می شوند: یا زمین با پیش سازهای مولکولی آب متولد شده است یا سنگ های فضایی غنی از آب مانند سیارک ها و دنباله دارها پس از تشکیل زمین، آب را به سیاره آورده اند.

بسیاری از این نظریه ها با یکدیگر سازگار هستند. زمین می تواند آب خود را از منابع مختلف تامین کند. این کار را کمی پیچیده تر می کند. اما دانشمندان دائماً در تلاش هستند تا مدل‌های اولیه منظومه شمسی را بهبود ببخشند تا منشا آب روی زمین را دریابند.

تاریخچه آب زمین

یکی از عواملی که به دانشمندان کمک می کند تا زمان ظهور آب روی زمین را تخمین بزنند این است که آب دائماً در فضا از دست می رود. به بیان ساده، مولکول های آب در جو تجزیه می شوند و اتم های هیدروژن آزاد شده گاهی اوقات می توانند از گرانش زمین فرار کنند. زمانی که زمین جوان تر بود و جرم کمتری داشت، آب به راحتی می توانست از گرانش زمین به فضا فرار کند.

انتظار می‌رود عناصر سبک‌تری مانند هیدروژن و هلیوم به‌طور مداوم از اتمسفر فرار کنند، اما نسبت‌های ایزوتوپی گازهای سنگین‌تر در جو کنونی زمین می‌تواند نشانه‌ای از میزان آب از دست رفته زمین در طول تاریخ باشد، اگرچه عناصر سنگین‌تر نیز در برابر این عوامل آسیب‌پذیر بوده‌اند. عناصر شیمیایی زیان های بزرگ زمانی که زمین جوان بود. به عنوان مثال، فراوانی زنون را می توان در محاسبات از دست دادن آب در طول زمان استفاده کرد. از آنجا که زنون یک گاز نجیب است، از طریق واکنش های شیمیایی با سایر عناصر موجود در جو حذف نمی شود. مقایسه 9 ایزوتوپ پایدار زنون در جو کنونی زمین نشان می دهد که زمین از ابتدای شکل گیری خود مقداری آب معادل حجم اقیانوس از دست داده است.

دانشمندان بر این باورند که هر آبی روی زمین در دوره ای که سنگی به اندازه مریخ با زمین برخورد کرده و ماه را به وجود آورده است (حدود 1000 سال پیش) تشکیل شده است. 4.5 میلیارد سال از آن زمان) ناپدید شد. به عبارت دیگر، این برخورد احتمالاً باعث شده است که بیشتر آب موجود در پوسته زمین و گوشته بالایی تبخیر شود و یک جو بخار در اطراف سیاره تشکیل شود. احتمالاً حدود 2000 سال طول کشید تا بخار آب متراکم شود و مواد فرار از خود به جا بگذارد که عمدتاً دی اکسید کربن، هیدروژن و بخار آب هستند. سپس، با وجود اینکه دمای زمین حدود 230 درجه سانتیگراد بود، به دلیل افزایش فشار اتمسفر دی اکسید کربن، اقیانوس های آب مایع تشکیل شدند.

شواهد زمین شناسی همچنین به تعیین چارچوب زمانی آب مایع روی زمین کمک می کند. نمونه سنگبالش بازالتی“، نوع تشکیل سنگرادر طول یک فوران زیر آب، اهدا کننده شواهدی را ارائه می دهد که آب وجود دارد 3.8 میلیارد سال قبل از زمین وجود داشته است. مطالعه دیگری نیز نشان داد که با بالا رفتن سن، آب در سنگ ها وجود دارد 4.28 میلیارد سال در آنجا این قدیمی ترین سنگی است که تا به حال یافت شده و حاوی آب است. اقیانوس ها ممکن است قبل از این زمان روی زمین وجود داشته باشند، اما ما چیزی در مورد آنها نمی دانیم. از آنجایی که هیچ شواهد زمین شناسی برای اثبات این موضوع کشف نشده است، ممکن است فرآیندهای زمین شناسی مانند بازیافت پوسته زمین، چنین شواهد بالقوه ای را از بین برده باشد. در نهایت، محققان در مطالعه دیگری گزارش دادند که از ابتدای شکل گیری زمین، مقدار کافی آب برای تشکیل اقیانوس ها وجود داشته است.

بر خلاف سنگ ها به آنها کانی می گویندزیرک» در برابر آب و هوا و فرآیندهای زمین شناسی بسیار مقاوم است، به همین دلیل است که برای درک شرایط زمین در زمان های اولیه استفاده می شد. شواهد کانی شناسی نشان می دهد که آب مایع باید بیشتر از 4.4 میلیارد سال قبل از آن مدتها قبل از تشکیل زمین وجود داشته است. این تا حدودی نشانه تناقض است. زیرا به این فرضیه اشاره دارد که زمین در روزهای اولیه سرد بوده است، در حالی که اعتقاد بر این است که زمین در ابتدای شکل گیری خود دمای بالایی داشته است که احتمال وجود آب را رد می کند.

با این حال، اگر این نظریه درست بود، ثابت می‌کرد که در اوایل شکل‌گیری زمین، به جای سطح داغ و مذاب و اتمسفر پر از دی اکسید کربن، سطح زمین بسیار شبیه به زمین امروزی (از نظر عایق حرارتی) بود. . صفحات تکتونیکی زمین مقادیر زیادی دی اکسید کربن را به دام می اندازند. در نتیجه اثرات گرمایش زمین را کاهش می دهند. این منجر به خنک شدن سطح زمین و تشکیل سنگ های جامد و آب مایع می شود.

چه مقدار آب روی زمین وجود دارد؟

در حالی که بیشتر سطح زمین توسط اقیانوس ها پوشیده شده است، این اقیانوس ها تنها بخش کوچکی از جرم سیاره را تشکیل می دهند. جرم اقیانوس های زمین تنها 0.023 درصد از کل جرم زمین است. تخمین زده می شود که حدود 10 تا 20 کیلوگرم آب در دریاچه ها، رودخانه ها، آب های زیرزمینی و بخار آب در جو وجود دارد. همچنین مقدار زیادی آب در پوسته، گوشته و هسته زمین وجود دارد. در حالی که تخمین مقدار آب در گوشته زمین دشوار است زیرا نمونه های زیادی وجود ندارد، تقریباً 3 برابر جرم اقیانوس های زمین می تواند در گوشته زمین ذخیره شود. هسته زمین می تواند 4 تا 5 برابر بیشتر از اقیانوس ها آب داشته باشد.

آب از کجا روی زمین می آید؟

دانشمندان برای پاسخ به این سوال فرضیه های مختلفی ارائه می کنند. در ادامه محتمل ترین فرضیه ها را بررسی می کنیم.

آب زمین از منابع فرازمینی تامین می شود

دمای تراکم آب بسیار کمتر از سایر مواد تشکیل دهنده سیاره مانند آهن و سیلیکات است. زمین در ابتدای شکل گیری خود فقط یک پیش سیاره و بسیار داغ بود. در این عصر امکان تشکیل اقیانوس ها همزمان با زمین وجود ندارد. اما در فواصل بیشتر از خورشید، آب می تواند متراکم شود و سیارات یخی کوچکی را تشکیل دهد. بنابراین، برای اجرام خارج از مرزها که امکان یخ وجود دارد – مانند دنباله دارها، اجرام فرا نپتونی و شهاب سنگ های غنی از آب – لازم است که آب را به زمین برسانند. با این حال، زمانی که آب به زمین می رسد هنوز یک سوال است.

یک فرضیه ادعا می کند که زمین حدود 4.5 میلیارد سال پیش بوده است، زمانی که… 60 تا 90 درصد در اندازه فعلی خود، سیارات یخی کوچکی را به خود جذب کرد و به تدریج با تجمع آنها در بالای خود رشد کرد. در این سناریو، زمین می تواند به نوعی آب را در این فرآیند حفظ کند. این فرضیه با شباهت بین فراوانی آب و نسبت ایزوتوپی آن در میان شهاب‌سنگ‌های قدیمی‌تر پشتیبانی می‌شود. اما این برای یافتن منشا آب زمین کافی نیست.

یکی از مشکلات این فرضیه این است که نسبت ایزوتوپ های گاز نجیب در جو زمین با گوشته آن متفاوت است و نشان می دهد که آنها از منابع مختلفی تشکیل شده اند. جالب توجه است که مدل‌های دینامیکی منظومه شمسی اولیه نشان می‌دهند که اگر مشتری به خورشید نزدیک‌تر بود، سیارک‌های یخی پر از آب می‌توانستند به زمین نزدیک شوند.

آب از ابتدای شکل گیری منظومه شمسی روی زمین وجود داشته است!

نسبت های ایزوتوپ مانند اثر انگشت شیمیایی منحصر به فردی است که برای مقایسه آب روی زمین و سایر مناطق منظومه شمسی استفاده می شود. یکی از این نسبت های ایزوتوپی مهم، نسبت دوتریوم به هیدروژن است که به ویژه در تحقیق در مورد منشا آب روی زمین مفید است. هیدروژن فراوان ترین عنصر در جهان است و ایزوتوپ سنگین تر آن (دوتریوم) گاهی اوقات می تواند به عنوان جایگزینی برای اتم هیدروژن در یک مولکول آب عمل کند. بیشتر دوتریوم موجود در جهان در انفجارهای ابرنواختری تشکیل می شود. بنابراین ممکن است که این مولکول در سراسر سحابی گاز و غبار وجود داشته باشد که در نهایت منجر به تشکیل منظومه شمسی شد. به این ترتیب می توان منبع آب زمین را توضیح داد.

سیارک ها

بسیاری از مطالعات ژئوشیمیایی به این نتیجه رسیده اند که سیارک ها به احتمال زیاد منبع اصلی آب روی زمین هستند. کندریت‌های کربنیفر، زیرمجموعه‌ای از قدیمی‌ترین شهاب‌سنگ‌های منظومه شمسی، دارای مقادیر ایزوتوپی مشابه آب اقیانوس روی زمین هستند. در برخی از انواع کندریت‌ها، به‌ویژه، سطوح ایزوتوپ هیدروژن و نیتروژن یافت شده‌اند که تقریباً با سطوح موجود در آب دریا روی زمین مطابقت دارد. این نشان می دهد که آب موجود در این اجسام ممکن است منبع آب روی زمین بوده باشد.

علاوه بر این، مطالعه ساختار سیارک ها نشان داده است که بیشتر آب روی زمین از اتم های هیدروژن است که توسط ذرات باد خورشیدی حمل می شود که با اکسیژن موجود در سیارک ها ترکیب شده و به آب تبدیل می شود.

دنباله دارها

دنباله دارها اجرامی به اندازه چندین کیلومتر هستند که از گرد و غبار و یخ ساخته شده اند و دارای مدارهای بیضی شکل هستند که آنها را به منظومه شمسی منتقل می کند. وجود یخ و نوع مداری که به لایه‌های داخلی منظومه شمسی ختم می‌شود، آن را کاندیدای مناسبی برای توضیح وجود آب در زمین می‌کند.

دانشمندانی که نسبت دوتریوم به ایزوتوپ‌های هیدروژن را در دنباله‌دارها اندازه‌گیری کردند، نشان دادند که آب اقیانوس روی زمین تنها از دنباله‌دارها منشأ نمی‌گیرد. با استفاده از این نسبت، دانشمندان تخمین می زنند که حدود 10 درصد از منابع آبی زمین توسط دنباله دارها تامین می شود.

خلاصه

در این مقاله به بررسی منشا آب در این سیاره پرداختیم. تئوری های مختلفی وجود دارد که توضیح می دهد چگونه آب روی زمین شکل گرفته است. آیا آب به نحوی به زمین آورده شد یا شرایط روی زمین به گونه ای بود که مولکول های آب در طول زمان تشکیل شدند؟ برای پاسخ به هر یک از این سوالات، دانشمندان از روش های مختلفی مانند اندازه گیری فراوانی عناصر یا شبیه سازی دینامیکی منظومه شمسی و ترکیب زمین استفاده کرده اند. اگرچه پاسخ این سؤالات هنوز به طور قطعی شناخته نشده است، دانشمندان بر این باورند که یک سری اتفاقات باعث شده است که زمین اکنون از آب پر شود.