Woda nie musiała przybyć z kosmosu. Jest inna możliwość

Skąd na Ziemi wzięła się woda, która dziś pokrywa większość jej powierzchni? Przez lata jedną z najważniejszych odpowiedzi były komety i planetoidy dostarczające lód podczas zderzeń z młodą planetą. Z nowych badań wynika jednak, że część wody na Ziemi mogła powstać lokalnie, w świecie będącym czymś w rodzaju gigantycznego oceanu gorącej magmy.

Japońscy naukowcy odtworzyli procesy chemiczne zachodzące między pierwotną atmosferą a stopionym wnętrzem Ziemi. Ich model sugeruje, że wodór mógł zamieniać się w wodę zaskakująco szybko. W odpowiednich warunkach wystarczyłoby około 10 tys. lat, aby atmosfera i ocean magmy osiągnęły równowagę chemiczną.

Około 4,5 mld lat temu nasza planeta wyglądała zupełnie inaczej niż obecnie. Kolejne zderzenia z wielkimi obiektami dostarczały ogromnych ilości energii, a znaczna część powierzchni i płaszcza Ziemi pozostawała stopiona. Nie było oceanów, kontynentów ani warunków pozwalających na długotrwałe utrzymywanie się ciekłej wody na powierzchni.

Przez długi czas naukowcy zakładali, że większość ziemskiej wody została dostarczona później, przede wszystkim przez bogate w nią planetoidy i komety. Problem w tym, że skład izotopowy wody z różnych ciał Układu Słonecznego nie zawsze odpowiada temu, co obserwujemy na Ziemi. Ustalenie, ile wody dotarło z zewnątrz, a ile mogło być obecne już podczas formowania planety, pozostaje przedmiotem badań.

Na Spider's Web opisywaliśmy już odkrycie wodoru w chondrytach enstatytowych, czyli meteorytach o składzie przypominającym część materiału, z którego powstała Ziemia. Okazało się, że nawet pozornie suche skały mogły dostarczyć młodej planecie znacznych ilości wodoru.

Teraz badacze postanowili sprawdzić, co mogło się z nim wydarzyć. Zespół kierowany przez Tatsuyę Yoshidę opracował model łączący ewolucję pierwotnej atmosfery z procesami chemicznymi wewnątrz oceanu magmy. Wyniki badania opublikowanego w The Planetary Science Journal wskazują, że oba środowiska mogły wspólnie produkować wodę.

Według rozważanego scenariusza młoda Ziemia była otoczona atmosferą bogatą w wodór. Gaz mógł pochodzić zarówno z materiału, z którego powstawała planeta, jak i z otaczającego młode Słońce dysku gazowego. Pod atmosferą rozciągał się rozległy ocean stopionych skał zawierających związki żelaza.

Kluczowe były reakcje zachodzące głęboko we wnętrzu planety. Przy ogromnym ciśnieniu część żelaza zmieniała swój stopień utlenienia, a powstające żelazo metaliczne mogło opadać w kierunku jądra. Pozostała materia stawała się bardziej utleniona, tworząc warunki sprzyjające reakcjom z wodorem.

Wodór z atmosfery przenikał do powierzchniowych warstw magmy, gdzie reagował z zawierającymi tlen związkami żelaza. Produktem tych reakcji była woda, która mogła pozostawać rozpuszczona w stopionych skałach albo uczestniczyć w dalszej wymianie materii z atmosferą.

Naukowcy uwzględnili również ciągłe mieszanie magmy. Chłodniejszy, gęstszy materiał przy powierzchni opadał, a jego miejsce zajmowały kolejne porcje gorącej cieczy. Dzięki temu reakcje nie ograniczały się do jednej warstwy, lecz mogły zachodzić nieustannie.

Najciekawszym wynikiem modelowania jest szybkość całego procesu. Gdy ocean magmy był wystarczająco gorący i głęboki, wymiana wodoru między atmosferą a stopionymi skałami przebiegała bardzo sprawnie. W takich warunkach układ mógł osiągnąć równowagę chemiczną w ciągu około 10 tys. lat.

To niewiele w porównaniu z miliardami lat historii naszej planety. Co więcej, w części symulacji pod koniec krzepnięcia oceanu magmy ponad 70 proc. modelowanego zasobu wodoru i wody występowało już w postaci H2O. Wynik zależał jednak od przyjętej głębokości oceanu magmy i początkowych warunków chemicznych.

Badacze wskazują, że gdyby młoda Ziemia dysponowała odpowiednio dużym zapasem wodoru, proces ten mógłby wyjaśniać istotną część obecnych zasobów wody, również tej znajdującej się we wnętrzu planety. Nie oznacza to jednak, że naukowcy odtworzyli rzeczywistą historię powstania oceanów. Przedstawili model wskazujący, że taki mechanizm był fizycznie możliwy.

Warto przypomnieć, że wcześniejsze badania ziemskiego płaszcza wskazywały na możliwość przechowywania ogromnych ilości wody w minerałach. Nowe ustalenia dotyczą wcześniejszego etapu, kiedy planeta pozostawała stopiona, a woda dopiero mogła powstawać w reakcjach chemicznych.

Najnowsze badanie nie przekreśla w żadnym razie teorii kosmicznego pochodzenia ziemskiej wody. Naukowcy nie twierdzą, że komety i planetoidy nie dostarczyły jej ani grama. Pokazują natomiast, że nie cała woda musiała trafić na naszą planetę w gotowej postaci.

Trzeba też odróżnić pochodzenie samej wody od pochodzenia wodoru. Nawet gdy cząsteczki H2O powstały już na młodej Ziemi, wodór potrzebny do ich utworzenia mógł zostać dostarczony wcześniej razem z materiałem budującym planetę albo przechwycony z otaczającego ją gazu.

Podobne scenariusze rozważano już wcześniej, a nowe badanie rozwija je o dokładniejszy opis transportu wodoru, reakcji chemicznych i krzepnięcia magmy. Autorzy przyznają, że wiele parametrów pozostaje niepewnych, w szczególności szybkość reakcji zachodzących w ekstremalnych temperaturach.

Przeczytaj także:

Zagadkę pochodzenia ziemskiej wody zaliczaliśmy niedawno do największych niewyjaśnionych problemów Układu Słonecznego. Nowy model nie daje jeszcze ostatecznej odpowiedzi, ale pokazuje, że być może szukaliśmy części rozwiązania w niewłaściwym miejscu.

Zamiast skupiać się wyłącznie na tym, ile lodu przywiozły komety i planetoidy, trzeba także zrozumieć chemię najwcześniejszej Ziemi. Niewykluczone, że znaczna część wody, dzięki której później mogło rozwinąć się życie, powstała wtedy, gdy powierzchnia naszej planety była jeszcze oceanem ognia.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI