منشأ آب کره زمین کجاست؟ بررسی نظریه‌های پیدایش آب در سیاره ما

حیات انسان‌ها به آب وابسته است و تقریبا هفتاد و یک درصد سطح سیاره ما را آب پوشانده است. بدن نوزادان از نزدیک به هفتاد و هشت درصد آب و بدن بزرگسالان از نزدیک به شصت درصد آب تشکیل شده است. ما نمی‌توانیم بیش‌تر از چند روز بدون آب زنده بمانیم. این مایع باارزش که مایع حیات نیز نامیده می‌شود، از کجا آمده است؟ به‌عبارت دیگر، منشأ آب کره زمین چیست؟ جواب به این سوالات می‌تواند در فهمیدن منشأ حیات روی زمین کمک کند و به ما بیاموزد چه انتظاری می‌توانیم از آب در سیارات دیگر ازجمله سیارات فرا‌خورشیدی داشته باشیم.

منشأ آب در کره زمین

منشأ آب در کره زمین نتیجه مجموعه‌ای از تحقیقات در عرصه‌های علوم سیاره‌ای، نجوم و اخترزیست‌شناسی است. زمین به‌علت داشتن اقیانوس‌هایی از آب مایع بین سیارات سنگی منظومه شمسی بی‌نظیر است. آب مایع که برای همه اشکال شناخته‌شده حیات الزامی است، به‌راحتی در زمین یافت می‌شود؛ چون 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 بسیاری در مورد چگونگی پیدایش یا شکل‌گیری آب در کره زمین وجود دارد. بیش‌تر این نظریه‌ها به دو دسته تقسیم می‌شوند یا زمین با پیش‌ساز‌های مولکولی آب متولد شده است یا سنگ‌های فضایی مملو از آب همانند سیارک‌ها و دنباله‌دار‌ها آب را بعد از شکل‌گیری زمین به این سیاره آورده‌اند. تعداد زیادی از این نظریه‌ها با هم سازگارند؛ زمین می‌توانست آب خود را از منابع گوناگون دریافت کند. این موضوع اوضاع را مقداری پیچیده می‌کند. اما دانشمندان مداوم در حال 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 شده، به دانشمندان کمک می‌کند این است که آب مداوم در فضا از دست می‌رود؛ به زبان ساده‌تر، مولکول‌های آب در جو تجزیه خواهد شد و اتم‌های هیدروژن که آزاد شده‌اند، گاهی می‌توانند از کشش گرانشی زمین فرار کنند. وقتی که زمین جوان‌تر بود و جرم کمتری داشت، آب به‌راحتی می‌توانست در فضا از گرانش زمین فرار کند.

انتظار می‌رود عناصر سبک‌تر همانند هیدروژن و هلیوم مداوم از جو نشت کنند اما نسبت‌های ایزوتوپی گاز‌های سنگین‌تر در جو کنونی زمین می‌تواند نشان‌دهنده مقدار از دست رفتن آب در زمین در طول تاریخ باشد. قطعا عناصر سنگین‌تر نیز وقتی که زمین جوان بود، در معرض تلفات قابل‌توجه‌ی قرار داشتند؛ برای مثال می‌توان از زنون در محاسبات از دست دادن آب طی زمان بهره گرفت. زنون به‌علت این که گاز نجیبی است، از طریق واکنش‌های شیمیایی با عناصر دیگر در جو حذف نمی‌شود. قیاس بین نه ایزوتوپ پایدار زنون در جو کنونی زمین مشخص می‌کند زمین از ابتدای شکل‌گیری تا به حال 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 جهت شکل‌گیری ماه شد (نزدیک به چهار و نیم می‌لیارد سال پیش) از بین رفت. به عبارت دیگر، این برخورد به احتمال زیاد باعث شده قسمت زیادی از آب در پوسته زمین و گوشته بالایی آن تبخیر شود و جوی از بخار در اطراف سیاره زمین برقرار شود. به احتمال زیاد نزدیک به دو هزار سال طول کشیده تا این بخار آب متراکم شود و مواد فراری را از خود به‌جا بگذارد که عمدتا شامل دی‌اکسید کربن، هیدروژن و بخار آب بوده است. پس از آن، با وجود آنکه دمای زمین نزدیک به دویست و سیصد درجه سانتی‌گراد بوده است، به‌علت افزایش فشار جوی گاز دی‌اکسید کربن اقیانوس‌های آب مایع شکل گرفته‌اند.

شواهد زمین‌شناسی به محدود کردن چارچوب زمانی برای آب مایع حاضر در زمین نیز پشتیبانی می‌کند. نمونه‌هایی از سنگ بازالتی بالشتی، نوع سنگی که در فوران‌های زیر آب شکل می‌گیرد، شواهدی را ارائه می‌دهند که مشخص می‌کند آب در سه و هشت دهم می‌لیارد سال پیش روی زمین وجود داشته است. مطالعه دیگری نیز نشان داده آب در سنگ‌هایی با سن چهار و بیست و هشت دهم می‌لیارد سال وجود دارد. این کهن‌ترین نمونه سنگ یافت‌شده حاوی آب است. احتمالا اقیانوس‌ها سریع‌تر از این زمان در زمین وجود داشته‌اند اما ما خبری از آن‌ها نداریم؛ چون شواهد زمین‌شناسی برای اثبات آن کشف نشده است. امکان دارد به این علت باشد که به احتمال زیاد فرا‌یند‌های زمین‌شناسی همانند بازیافت پوسته زمین این چنین شواهد بالقوه‌ای را از بین برده باشند. محققان در پژوهش دیگری در نهایت 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 می‌باشند و به همین علت برای فهمیدن شرایط زمین در دوران اولیه مفید خواهد بود. شواهد کانی‌شناسی مشخص می‌کند آب مایع باید بیش‌تر از چهار و چهار دهم می‌لیارد سال پیش؛ بسیار سریع‌تر از شکل‌گیری زمین، وجود داشته باشد. این تا حدودی نشانه تناقض است؛ چون به فرضیه سرد بودن زمین در دوران اولیه اشاره می‌کند در حالی که فکر می‌شود زمین در آغاز شکل‌گیری دمای بالایی داشته که امکان وجود آب را از بین می‌برده است.

با این حال، اگر این نظریه درست باشد، اثبات می‌شود که در آغاز شکل‌گیری زمین، به‌جای سطحی داغ و مذاب و جوی پر از دی‌اکسید کربن، سطح زمین بسیار همانند زمین امروزی (از نظر عایق حرارتی) بوده است. صفحات تکتونیک در زمین مقادیر زیادی گاز دی‌اکسید کربن را به دام می‌اندازند؛ در نتیجه اثرات گلخانه‌ای را کاهش خواهند داد. همین امر باعث سرد شدن سطح زمین و شکل‌گیری سنگ‌های جامد و آب مایع می‌شود.

چه مقدار آب در زمین وجود دارد؟

در حالی که بیش‌تر سطح زمین را اقیانوس‌ها پوشانده‌اند، این اقیانوس‌ها فقط قسمت کوچکی از جرم سیاره را تشکیل خواهند داد. جرم اقیانوس‌های زمین فقط صفر ممیز صفر دو سه درصد جرم کل زمین است. تخمین زده می‌شود که نزدیک به ده به توان بیست 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. در حالی که به‌علت نبود نمونه‌های متعدد، تخمین آب حاضر در گوشته زمین دشوار است، تقریبا سه برابر جرم اقیانوس‌های زمین، آب می‌تواند در گوشته زمین ذخیره شود. این‌گونه هسته زمین می‌تواند چهار تا پنج برابر آب اقیانوس‌ها را در خود بگیرد.

آب در زمین از کجا آمده است؟

دانشمندان در جواب این سوال، فرضیه‌های مختلفی نقل می‌کنند. در ادامه محتمل‌ترین فرضیه‌ها را مرور می‌کنیم.

آب کره زمین از منابع فرا‌سیاره‌ای فراهم شده است

آب دمای تراکم بسیار کمتری نسبت به دیگر مواد تشکیل‌دهنده سیارات همانند آهن و سیلیکات دارد. زمین در آغاز 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 سیارات کوچک یخی را شکل دهد؛ به این علت ضروری است اجرام فرا‌تر از مرزی که یخبندان امکان‌پذیر -همانند دنباله‌دار‌ها، اجرام فرا‌تر از نپتون و شهاب‌های غنی از آب- آب را به زمین برسانند. با این حال، زمان رسیدن آب به زمین تا این مدت سوال است.

فرضیه‌ای ادعا می‌کند زمین نزدیک به چهار و نیم می‌لیارد سال پیش، وقتی که شصت تا نود درصد اندازه جاری خود را داشت، سیارات یخی کوچک را به‌سمت خود کشیده و به‌مرور زمان با انباشتن آن‌ها روی خود، رشد کرده است. در این سناریو، زمین می‌توانست در این فرا‌یند آب را به شکلی در خود نگه دارد. این فرضیه با شباهت بین بسیاری و نسبت ایزوتوپ آب بین کهن‌ترین شهاب‌سنگ‌ها سازگار است. اما این برای یافتن 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 مشخص می‌کند آن‌ها از منابع مختلفی تشکیل شده‌اند. دانستن این نکته مفید است که مدل‌های دینامیکی منظومه شمسی اولیه نشان خواهند داد 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 همانند اثرانگشت‌های شیمیایی بی‌نظیر می‌باشند که برای مقایسه آب در زمین و دیگر مناطق منظومه شمسی مفید خواهد بود. یکی از این نسبت‌های ایزوتوپی مهم نسبت دوتریوم به هیدروژن است که به‌اختصاص در جستجوی منشأ آب روی زمین سودمند 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؛ به این علت گمان می‌رود این مولکول در سراسر سحابی گاز و غباری که در نهایت تبدیل به منظومه شمسی شد، وجود داشته است؛ بدین‌ترتیب می‌توان گفت که آب کره زمین از کجا نشأت گرفته است.

سیارک‌ها

مطالعات ژئوشیمیایی متعدد به این نتیجه رسیده‌اند که سیارک‌ها به احتمال زیاد منبع اولیه آب در زمین می‌باشند. کندریت‌های کربنی که زیرمجموعه‌ای از کهن‌ترین شهاب‌سنگ‌های منظومه شمسی می‌باشند، مقادیر ایزوتوپی همانند آب اقیانوس‌ها در زمین دارند. در برخی گونه‌های کندریت‌ها، به‌طور خاص مقادیری از نسبت‌های ایزوتوپ‌های هیدروژن و نیتروژن یافت می‌شود که کاملا با آب دریا‌ها در زمین تطابق دارد. این مشخص می‌کند که به احتمال زیاد آب در این اجرام منبع آب در زمین بوده است.

علاوه بر این، مطالعه ساختار سیارک‌ها نشان داده است که عمده آب در زمین از اتم‌های هیدروژن حمل‌شده بر ذرات باد خورشیدی است که با اکسیژن حاضر در سیارک‌ها ترکیب شده و به شکل آب درآمده است.

دنباله‌دارها

دنباله‌دار‌ها اجرامی به ابعاد چند کیلوم‌تر می‌باشند که از غبار و یخ تشکیل شده‌اند و مدار‌های بیضی‌شکلی 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 بهره‌گیری از این نسبت تخمین زده‌اند که نزدیک به ده درصد منابع آب در زمین را دنباله‌دار‌ها فراهم کرده‌اند.

جمع‌بندی

در این مقاله، منشأ آب کره زمین را مرور کردیم. نظریه‌های مختلفی وجود دارند که می‌گویند 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 جواب به هریک از این سوالات، از راه‌حل‌های مختلفی همانند اندازه‌گیری عناصر مختلف یا همانند‌سازی دینامیکی منظومه شمسی و شکل‌گیری زمین بهره گرفته‌اند. هرچند جواب این سوالات تا این مدت به‌صورت قطعی آشکار نیست اما دانشمندان باور دارند مجموعه‌ای از رخداد‌ها باعث شده زمین اکنون مملو از آب باشد.

آب زمین از کجا آمده است؟ دانشمندان برای جواب به این سوال فرضیه‌های مختلفی نقل می‌کنند. باور بر این است که در ابتدای شکل‌گیری زمین، سیارک‌های یخی مملو از آب در اثر گرانش زمین با آن ترکیب شده‌اند. شهاب‌سنگ‌ها و اجرام دیگر نیز به احتمال زیاد با برخورد با زمین، آب را به سیاره ما آورده‌اند.

آیا آب از ابتدا در زمین وجود داشته است؟ دانشمندان باور دارند که به‌علت دمای بالای زمین در زمان شکل‌گیری، احتمال وجود آب از ابتدا کم است؛ چون اگر آب وجود داشت، تبخیر می‌شد. با این حال، برخی نیز باور دارند که آب به‌صورت بخار در گاز و غبار سحابی پیش‌سیاره‌ای وجود داشته است. در نتیجه زمین از ابتدا حاوی آب بوده است. قطعا تا این مدت پاسخی قطعی به این سوال وجود ندارد.