حیات ما انسان‌ها به آب وابسته است. تقریباً ۷۱ درصد سیاره ما را آب پوشانده است. بدن نوزادان از نزدیک به ۷۸ درصد آب و بدن بزرگسالان از نزدیک به ۶۰ درصد آب راه اندازی شده است. ما نمی‌توانیم بیشتر از چند روز بدون آب زنده بمانیم. این مایع مورد قیمت که آن را مایع حیات نیز می‌نامند، از کجا آمده است؟ به‌عبارت دیگر، منشأ آب کره زمین چیست؟ جواب به این سؤالات می‌تواند در فهمیدن منشأ حیات روی زمین کمکمان 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 نوشته مجموعه‌ای از تحقیقات در عرصه‌های علوم سیاره‌ای، نجوم و اخترزیست‌شناسی است. زمین به‌علت داشتن اقیانوس‌هایی از آب مایع بین سیارات سنگی منظومه شمسی بی همتا 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 تاثییر 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 درمورد چگونگی پیدایش یا شکل‌گیری آب در کره زمین وجود دارد. زیاد تر این نظریه‌ها به ۲ دسته تقسیم خواهد شد: 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 بسیاری‌ از این نظریه‌ها با هم سازگارند؛ زمین می‌توانست آب خود را از منبع های گوناگون دریافت کند. این کار اوضاع را مقداری پیچیده می‌کند. اما دانشمندان مداوم درحال اصلاح مدل‌هایی از منظومه شمسی اولیه‌اند تا دریابند منشأ آب کره زمین چیست.

تاریخچه آب کره زمین

یکی از پارامترهایی که برای تخمین وقتی که آب روی زمین ظاهر شد، به دانشمندان پشتیبانی می‌کند این است که آب مداوم در فضا از دست می‌رود؛ به گفتن ساده‌تر، مولکول‌های آب در جو تجزیه خواهد شد و اتم‌های هیدروژن که آزاد شده‌اند، بعضی اوقات می‌توانند از کشش گرانشی زمین فرار کنند. وقتی که زمین جوان‌تر می 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 زمین جاری می‌توانند نشان‌دهنده مقدار ازدست‌رفتن آب در زمین در طول تاریخ باشند، یقیناً عناصر سنگین‌تر نیز وقتی که زمین جوان می بود، در معرض تلفات قابل‌توجهی قرار داشتند؛ برای مثال می‌توان از بسیاری زنون در محاسبات ازدست‌دادن آب طی زمان منفعت گیری کرد. زنون به‌علت این که گاز نجیبی است، از طریق عکس العمل‌های شیمیایی با عناصر دیگر در جو حذف نمی‌شود. قیاس بین ۹ ایزوتوپ پایدار زنون در جو جاری زمین مشخص می کند زمین از ابتدای شکل‌گیری تا بحال 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 ۴.۵ میلیارد سال پیش) از بین رفت. به گفتن دیگر، این برخورد به گمان زیادً جهت شده قسمت بسیاری از آب در پوسته زمین و گوشته بالایی آن تبخیر شود و جوی از بخار در اطراف سیاره زمین راه اندازی شود. به گمان زیادً نزدیک به ۲ هزار سال طول کشیده تا این بخار آب متراکم شود و مواد فرّاری را از خود به‌جای بگذارد که عمدتاً شامل دی‌اکسید کربن، هیدروژن و بخار آب بوده است. بعد‌ازآن، باوجود آنکه دمای زمین نزدیک به ۲۳۰ درجه سانتی‌گراد بوده است، به‌علت افزایش سختی جوی گاز دی‌اکسید کربن اقیانوس‌های آب مایع شکل گرفته‌اند.

شواهد زمین‌شناسی به محدودکردن چارچوب وقتی برای آب مایع حاضر در زمین نیز پشتیبانی می‌کند. مثالای از سنگ «بازالتی بالشتی»، نوع سنگ راه اندازی‌دهنده طی فوران زیر آب، شواهدی را ارایٔه می‌دهد که مشخص می کند آب در ۳.۸ میلیارد سال پیش روی زمین وجود داشته است. مطالعه فرد دیگر نیز نشان داده آب در سنگ‌هایی با سن ۴.۲۸ میلیارد سال وجود دارد. این دیرینه‌ترین 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 پذیر به این علت باشد که به گمان زیادً فرایندهای زمین‌شناسی همانند بازیافت پوسته زمین این چنین شواهد بالقوه‌ای را از بین برده باشند. محققان در پژوهش فرد دیگر درنهایت 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 زیاد مقاوم می باشند و به همین علت برای فهمیدن شرایط زمین در دوران اولیه منفعت گیری خواهد شد. شواهد کانی‌شناسی مشخص می کند آب مایع باید بیشتر از ۴.۴ میلیارد سال پیش؛ زیاد سریعتر از شکل‌گیری زمین، وجود داشته باشد. این تا حدودی نشانه تناقض است؛ چون به فرضیه سرد بودن زمین در دوران اولیه اشاره می‌کند درحالی‌که فکر می‌شود زمین اغاز شکل‌گیری دمای بالایی داشته که امکان وجود آب را از بین می‌برده است.

بااین‌حال، اگر این نظریه درست باشد، اثبات می‌شود که اغاز شکل‌گیری زمین، به‌جای سطحی داغ و مذاب و جوی پر از دی‌اکسید کربن، سطح زمین زیاد همانند زمین امروزی (از نظر عایق حرارتی) بوده است. صفحات تکتونیک در زمین مقادیر بسیاری گاز دی‌اکسید کربن را به دام می‌اندازند؛ درنتیجه اثرات گلخانه‌ای را افت خواهند داد. همین امر تبدیل سرد شدن سطح زمین و راه اندازی سنگ‌های جامد و آب مایع می‌شود.

چه مقدار آب در زمین وجود دارد؟

درحالی‌که زیاد تر سطح زمین را اقیانوس‌ها پوشانده‌اند، این اقیانوس‌ها فقط قسمت کوچکی از جرم سیاره را راه اندازی خواهند داد. جرم اقیانوس‌های زمین فقط ۰/۰۲۳ درصد جرم کل زمین است. تخمین زده می‌شود که نزدیک به ۱۰ به توان ۲۰ 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. درحالی‌که به‌علت نبوده است مثالهای متعدد، تخمین آب حاضر در گوشته زمین دشوار است، تقریباً ۳ برابر جرم اقیانوس‌های زمین، آب می‌تواند در گوشته زمین ذخیره شود. این چنین هسته زمین می‌تواند ۴ تا ۵ برابر آب اقیانوس‌ها را در بربگیرد.

آب در زمین از کجا آمده است؟

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

آب کره زمین از منبع های فراسیاره‌ای فراهم شده است

آب دمای تراکم زیاد کمتری نسبت به دیگر مواد راه اندازی‌دهنده سیارات همانند آهن و سیلیکات دارد. زمین اغاز شکل‌گیری فقط پیش‌سیاره بوده و زیاد داغ. در این دوران امکان شکل‌گیری اقیانوس‌ها هم‌زمان با زمین وجود ندارد. اما در فواصل دورتر از خورشید، آب می‌توانسته متراکم شود و سیاره‌های کوچک یخی را شکل دهد؛ به این علت الزامی است اجرام فراتر از مرزی که یخبندان امکان پذیر -همانند دنباله‌دارها، اجرام فراتر از نپتون و شهاب‌های غنی از آب- آب را به زمین برسانند. بااین‌حال، زمان رسیدن آب به زمین تا این مدت سوال است.

فرضیه‌ای ادعا می‌کند زمین نزدیک به ۴.۵ میلیارد سال، وقتی که ۶۰ تا ۹۰ درصد اندازه جاری خود می بود، سیارات یخی کوچک را به‌سمت خود کشیده و به‌مرور زمان با انباشته‌کردن آن‌ها روی خود، رشد کرده است. در این سناریو، زمین می‌توانست در این فرایند آب را به‌شکلی در خود نگه داری کند. این فرضیه با شباهت بین بسیاری و نسبت ایزوتوپ آب بین قدیمی‌ترین شهاب‌سنگ‌ها قبول می‌شود. اما این برای پیداکردن 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 می کند آن‌ها از منبع های مختلفی راه اندازی شده‌اند. دلنشین است بدانید 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 اثرانگشت شیمیایی بی همتا می باشند که برای قیاس آب در زمین و دیگر مناطق منظومه شمسی منفعت گیری خواهد شد. یکی از این نسبت‌های ایزوتوپی مهم نسبت دوتریوم به هیدروژن است که به‌اختصاصی در جستجوی منشأ آب روی زمین سودمند است. هیدروژن زیاد‌ترین عنصر جهان است و ایزوتوپ سنگین‌تر آن (دوتریوم) بعضی اوقات می‌تواند به‌جای اتم هیدروژن در مولکول آب ایفای نقش کند. زیاد تر دوتریوم در عالم در انفجارهای ابرنواختری شکل می‌گیرد؛ به این علت گمان دارد این مولکول در سراسر سحابی گاز و غباری که درنهایت تبدیل راه اندازی منظومه شمسی شد، وجود داشته است؛ به‌این‌ترتیب می‌توان گفت که آب کره زمین از کجا نشأت گرفته است.

سیارک‌ها

مطالعات ژیٔوشیمیایی متعدد به این نتیجه رسیده‌اند که سیارک‌ها به گمان زیاد منبع اولیه آب در زمین می باشند. کندریت‌های کربنی که زیرمجموعه‌ای از قدیمی‌ترین شهاب‌سنگ‌های منظومه شمسی می باشند، مقادیر ایزوتوپی همانند آب اقیانوس‌ها در زمین دارند. در برخی گونه‌های کندریت‌ها، به‌طور خاص مقادیری از سطوح ایزوتوپ‌های هیدروژن و نیتروژن یافت می‌شود که کاملاً با آب دریاها در زمین تطابق دارد. این مشخص می کند که به گمان زیادً آب در این اجرام منبع آب در زمین بوده است.

علاوه‌براین، 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 به‌شکل آب درآمده است.

دنباله‌دارها

دنباله‌دارها اجرامی به ابعاد چند کیلومتر می باشند که از غبار و یخ راه اندازی شده‌اند و مدارهای بیضی شکلی 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 منفعت گیری از این نسبت تخمین زده‌اند که نزدیک به ۱۰ درصد منبع های آب در زمین را دنباله‌دارها فراهم کرده‌اند.

جمع‌بندی

در این مقاله، منشأ آب کره زمین را بازدید کردیم. نظریه‌های مختلفی وجود دارند که گفتن می‌کنند 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 سؤالات، از راه حلهای مختلفی همانند اندازه‌گیری بسیاری عناصر یا همانند‌سازی دینامیکی منظومه شمسی و شکل‌گیری زمین منفعت گیری کرده‌اند. هرچند جواب این سؤالات تا این مدت به‌صورت قطعی اشکار نیست اما دانشمندان باور دارند مجموعه‌ای از رخدادها جهت شده زمین اکنون مملو از آب باشد.