Poreklo vode na Zemlji je trajna misterija. Postoje različite hipoteze i teorije koje objašnjavaju kako je voda dospela ovde, i mnogo dokaza koji ih podržavaju.
Ali voda je sveprisutna u protoplanetarnim diskovima, a poreklo vode možda ipak nije tako misteriozno.
Istraživački članak u GeoScienceVorld Elements pokazuje da drugi mladi solarni sistemi imaju obilje vode. U solarnim sistemima kao što je naš, voda je spremna za vožnju dok mlada zvezda raste i planete se formiraju. Dokaz je u sadržaju teške vode na Zemlji i pokazuje da je voda na našoj planeti stara 4,5 milijardi godina.
Članak je „Mi pijemo dobru vodu staru 4,5 milijardi godina“, a autori su Sesilija Čekareli i Fudžun Du. Čekareli je italijanski astronom sa Instituta za planetarne nauke i astrofiziku u Grenoblu, Francuska. Du je astronom u opservatoriji Purple Mountain u Nanjingu, Kina.
Formiranje Sunčevog sistema počinje ogromnim molekularnim oblakom. Oblak je uglavnom vodonik, glavna komponenta vode. Sledeći su helijum, kiseonik i ugljenik, po redosledu obilja.
Oblak takođe sadrži sitna zrna silikatne prašine i ugljenične prašine. Istraživački članak vodi nas kroz istoriju vode u našem Sunčevom sistemu, i tu počinje.
Ovde napolju, u hladnim krajevima molekularnog oblaka, kada kiseonik naiđe na zrno prašine, ono se smrzava i lepi za površinu.
Ali voda nije voda sve dok se vodonik i kiseonik ne spoje, a lakši molekuli vodonika u oblaku skaču okolo na zamrznuta zrna prašine dok ne naiđu na kiseonik.
Kada se to dogodi, oni reaguju i formiraju vodeni led – dve vrste vode: obična voda i teška voda koja sadrži deuterijum.
Deuterijum je izotop vodonika koji se naziva teški vodonik (HDO). Ima proton i jedan neutron u svom jezgru. To ga razdvaja od „običnog“ vodonika, zvanog protium. Protium ima proton, ali nema neutron. Oba ova izotopa vodonika su stabilna i opstaju do danas, a oba se mogu kombinovati sa kiseonikom da bi formirali vodu.
Kada vodeni led formira omotač na zrncima prašine, autori to nazivaju hladnom fazom, prvim korakom u procesu koji navode u svom članku.
Gravitacija počinje da deluje u oblaku dok se materija nakuplja u centru. Više mase pada u centar molekularnog oblaka i počinje da formira protozvezdu. Deo gravitacije se pretvara u toplotu, a unutar nekoliko astronomskih jedinica (AJ) od centra oblaka, gas i prašina u disku dostižu 100 Kelvina (-280 Farenhajta).
100 K je gorko hladno u zemaljskim terminima, samo -173 stepena Celzijusa. Ali u hemijskom smislu, dovoljno je da se pokrene sublimacija, a led menja fazu u vodenu paru. Sublimacija se dešava u vrelom corino regionu, toplom omotaču koji okružuje centar oblaka.
Iako sadrže i složene organske molekule, voda postaje najzastupljeniji molekul u korinosu.
Vode je u ovom trenutku u izobilju, iako je sva para. „… tipični vrući korino sadrži oko 10.000 puta više vode u Zemljinim okeanima“, pišu autori.
To je drugi korak u procesu koji su zacrtali autori, i oni ga zovu faza protozvezde.
Zatim, zvezda počinje da rotira, a okolni gas i prašina formiraju spljošteni, rotirajući disk koji se naziva protoplanetarni disk. Sve što će na kraju postati planete Sunčevog sistema i druge karakteristike nalazi se unutar tog diska.
Mlada protozvezda još uvek skuplja masu, a njen život fuzije na glavnoj sekvenci je još u dobroj budućnosti.
Mlada zvezda stvara malo toplote od šokova na svojoj površini, ali ne mnogo. Dakle, disk je hladan, a regioni koji su najudaljeniji od mlade protozvezde su najhladniji. Ono što se dalje dešava je ključno, prema autorima.
Vodeni led koji se formirao u prvom koraku oslobađa se u gas u drugom koraku, ali se ponovo kondenzuje u najhladnijim delovima protoplanetarnog diska. Ista populacija zrna prašine ponovo je prekrivena ledenim omotačem.
Ali sada, molekuli vode u tom ledenom omotaču sadrže istoriju vode u Sunčevom sistemu. „Dakle, zrnca prašine su čuvari vodenog nasleđa“, pišu autori.
To je treći korak u procesu.
U četvrtom koraku, Sunčev sistem počinje da dobija oblik i liči na potpunije formiran sistem. Sve stvari na koje smo navikli, poput planeta, asteroida i kometa, počinju da se formiraju i zauzimaju svoje orbite. I od čega potiču? Ta sićušna zrnca prašine i njihovi dvaput smrznuti molekuli vode.
Ovo je situacija u kojoj se danas nalazimo. Iako astronomi ne mogu da putuju unazad kroz vreme, oni postaju sve bolji u posmatranju drugih mladih solarnih sistema i pronalaženju tragova za ceo proces. Zemljana voda takođe sadrži kritičan nagoveštaj: odnos teške vode i obične vode.
Neki detalji su izostavljeni iz do sada datog jednostavnog objašnjenja. Kada se vodeni led formira u prvom koraku, temperatura je izuzetno niska. To pokreće neobičan fenomen koji se zove super-deuteracija. Super-deuteracija uvodi više deuterijuma u vodeni led nego na drugim temperaturama.
Deuterijum je nastao tek u sekundama nakon Velikog praska. Nije se mnogo formiralo: samo jedan deuterijum na svakih 100.000 atoma protijuma.
To znači da ako se deuterijum ravnomerno meša sa vodom Sunčevog sistema, obilje teške vode bi se izrazilo kao 10-5. Ali dolazi još složenosti.
U vrućem korinu, obilje se menja. „Međutim, u vrućim korinosima, odnos HDO/H2O je samo nešto manji od 1/100“, objašnjavaju autori. (HDO su molekuli vode koji sadrže dva izotopa deuterijuma, a H2O je obična voda koja sadrži dva izotopa protijuma.)
Ima još više ekstremiteta. „Da stvari budu još ekstremnije“, objašnjavaju autori, „dvostruko deuterisana voda D2O je 1/1000 u odnosu na H 2 O, odnosno oko 107 puta veća od onoga što bi se procenilo na osnovu odnosa količine D/H elemenata“.
Odnosi sadrže tako velike količine deuterijuma zbog super-deuteracije. U trenutku kada se led formira na površinama zrna prašine, postoji povećan broj D atoma u poređenju sa atomima H koji sleću na površine zrna.
Detaljno hemijsko objašnjenje je van okvira ovog članka, ali zaključak je jasan.
„Ne postoje drugi načini za dobijanje ove velike količine teške vode u vrućim korinosima niti uopšte“, pišu autori. „Stoga, obilje teške vode je obeležje sinteze vode u hladnom molekularnom oblaku tokom ere KORAKA 1.
Za sada je važno da postoje dve epizode sinteze vode. Prvi se dešava kada se Sunčev sistem još nije formirao i predstavlja samo hladan oblak. Drugi je kada se formiraju planete.
To dvoje se dešava u različitim uslovima, a ti uslovi ostavljaju svoj izotopski otisak na vodi. Voda iz prve sinteze je stara 4,5 milijardi godina i postavlja se pitanje: „Koliko je te drevne vode stiglo do Zemlje?“
Da bi to otkrili, autori su posmatrali jedine dve stvari koje su mogli: ukupnu količinu vode i količinu deuterisane vode.
Kako su autori rekli, „… naime, odnos teške i normalne vode, HDO/H2O.“
Stvoreno je više nego dovoljno vode da se uzme u obzir voda na Zemlji. Zapamtite da je količina vode u vrućem korinu bila 10.000 puta veća od Zemljine vode, a njen odnos HDO/H 2 O se razlikuje od vode formirane u početnom oblaku.
Koliko je korino vode stiglo do Zemlje? Nagoveštaj se može naći upoređivanjem vrednosti HDO/H2O u kopnenoj vodi sa vrednostima vrućih korinosa.
Vruća korina su jedino mesto na kome smo primetili HDO u bilo kom planetarnom sistemu solarnog tipa koji se još uvek formira. U prethodnim istraživanjima, naučnici su uporedili te odnose sa odnosima u objektima u našem Sunčevom sistemu – kometama, meteoritima i Saturnovom ledenom mesecu Enceladu.
Dakle, oni znaju da je obilje teške vode na Zemlji, odnos HDO/H 2 O, oko deset puta veće nego u Univerzumu i na početku Sunčevog sistema.
„Teška voda na Zemlji je oko deset puta veća od elementarnog odnosa D/H u Univerzumu i posledično pri rođenju Sunčevog sistema, u onome što se zove solarna maglina“, objašnjavaju autori.
Rezultati celog ovog rada pokazuju da je između 1 i 50 odsto Zemljine vode došlo iz početne faze rođenja Sunčevog sistema. To je širok raspon, ali je i dalje značajan deo znanja.
Autori završavaju stvari u svom zaključku.
„Voda u kometama i asteroidima (od kojih potiče ogromna većina meteorita) takođe je nasleđena od početka u velikim količinama. Zemlja je verovatno nasledila svoju izvornu vodu pretežno od planetezimala, za koje se pretpostavlja da su prethodnici asteroida i planeta koje formirao Zemlju, a ne od kometa koje su padale na nju“.
Isporuka kometama je još jedna hipoteza za Zemljinu vodu. U toj hipotezi, smrznuta voda izvan linije mraza stiže do Zemlje kada se komete uznemiravaju i šalju iz smrznutog Oortovog oblaka u unutrašnji Sunčev sistem. Ideja ima smisla.
Ali ova studija pokazuje da to možda nije istina.
Ipak, i dalje ostavlja pitanja bez odgovora. Ne objašnjava kako je sva voda stigla do Zemlje. Ali studija pokazuje da je količina teške vode na Zemlji barem početak otkrivanja ovoga.
„U zaključku, količina teške vode na Zemlji je naša Arijadna nit, koja nam može pomoći da izađemo iz lavirinta svih mogućih ruta kojima je Sunčev sistem možda prošao“, objašnjavaju oni.
Zemljana voda je stara 4,5 milijardi godina, baš kao što i naslov članka kaže. Barem nešto od toga jeste. Prema autorima, planetezimali su ga verovatno dostavili na Zemlju, ali nije jasno kako se to tačno dešava. Postoji mnogo više složenosti koju naučnici moraju da reše pre nego što to shvate.
„Pitanje je prilično složeno jer su poreklo i evolucija vode na Zemlji neizbežno povezani sa drugim važnim učesnicima na ovoj planeti, na primer, ugljenikom, molekularnim kiseonikom i magnetnim poljem“, pišu autori.
Sve ove stvari su umotane u to kako je nastao život i kako su se svetovi formirali. Voda je verovatno igrala ulogu u formiranju planetezimala koji su je dostavili na Zemlju. Voda je verovatno igrala ulogu u izdvajanju drugih hemikalija, uključujući građevne blokove života, na stenovita tela koja su ih isporučila na Zemlju.
Voda leži u centru svega toga, a pokazujući da neke od njih datiraju iz samih početaka Sunčevog sistema, autori su obezbedili polaznu tačku za otkrivanje ostatka.
„Ovde smo predstavili pojednostavljenu ranu istoriju Zemljine vode prema najnovijim zapažanjima i teorijama“, pišu oni.
„Dobar deo zemaljske vode verovatno se formirao na samom početku rođenja Sunčevog sistema kada je bio hladan oblak gasa i prašine, zamrznut i sačuvan tokom različitih koraka koji su doveli do formiranja planeta, asteroida i kometa i na kraju preneti na Zemlju u nastajanju.
„Kako se poslednji odlomak dogodio je još jedno fascinantno poglavlje“, zaključuju oni.
