منشاء و قدمت پیدایش آب بر روی کره زمین رمزگشایی شد

منشا آب در زمین همواره یک راز ماندگار بوده است و فرضیه ها و تئوری های مختلفی برای توضیح روند آن وجود دارد.

به گزارش تکناک، آب در همه جای صفحات پیش سیاره ای یافت می‌شود و منشأ آب در زمین ممکن است چندان مرموز نباشد.

یک مقاله تحقیقاتی منتشر شده در GeoScienceWorld Elements نشان می دهد سایر منظومه های خورشیدی جوان آب فراوانی دارند. در منظومه های شمسی مانند منظومه ما، آب همواره همراه رشد ستاره‌های جوان و شکل گیری سیارات، وجود دارد. شواهد آن در محتوای آب سنگین زمین (Earth : third planet from the Sun in the Solar System) موجود است و نشان دهنده قدمت آب سیاره ما تا 4.5 میلیارد سال است.

نام مقاله “ما آب خوب 4.5 میلیارد ساله می نوشیم” است و نویسندگان آن سیسیلیا سکارلی ستاره شناس ایتالیایی موسسه علوم سیاره ای و اخترفیزیک در گرنوبل فرانسه و فوجون دو ستاره شناس رصدخانه کوه بنفش در نانجینگ چین هستند.

شکل گیری منظومه شمسی با یک ابر مولکولی غول پیکر آغاز می شود. این ابر عمدتاً متشکل از هیدروژن، جزء اصلی آب است و هلیوم، اکسیژن و کربن به ترتیب فراوانی‌ در آن موجود هستند.

این ابر همچنین حاوی دانه های ریز غبار سیلیکات و غبار کربنی است. این مقاله تحقیقاتی ما را به تاریخ آب در منظومه شمسی و نقطه شروع آن می‌برد.

در فضای سرد یک ابر مولکولی، وقتی اکسیژن با یک دانه غبار مواجه می شود، یخ می زند و به سطح آن می چسبد.اما آب تا زمان ترکیب هیدروژن و اکسیژن شکل نمی‌گیرد و مولکول‌های سبک‌تر هیدروژن در ابر روی دانه‌های غبار یخ زده تا زمان مواجهه با اکسیژن حرکت می‌کنند.

هنگام مواجهه، آنها واکنش نشان داده و یخ آب را تشکیل می دهند. دو نوع آب وجود دارد یکی آب معمولی و دیگری آب سنگین حاوی دوتریوم است

دوتریوم یک ایزوتوپ از هیدروژن به نام هیدروژن سنگین (HDO)، دارای یک پروتون و یک نوترون در هسته خود است. که آن را از هیدروژن معمولی به نام پروتیوم جدا می کند. پروتیوم پروتون دارد اما نوترون ندارد. هر دو ایزوتوپ های پایدار هیدروژن تا به امروز هستند و هر دو می توانند با اکسیژن ترکیب و آب را تشکیل دهند.

مرحله اول زمانی است که یخ آب روی دانه های گرد و غبار تشکیل‌دهنده گوشته شکل می‌گیرد، که طبق توضیحات نویسندگان فاز سرد نام دارد.

در این نقطه، گرانش شروع به اعمال اثر خود در ابر می کند زیرا ماده در مرکز تجمع می یابد. جرم بیشتری در مرکز ابر مولکولی شکل می‌گیرد و شروع به تشکیل یک پیش ستاره می کند. مقداری از گرانش به گرما تبدیل می شود و طی چند واحد نجومی (AU) در مرکز ابر، گاز و غبار موجود در صفحه را به 100 کلوین (280- فارنهایت) می رساند.

100 کلوین از دیدگاه زمینی بسیار سرد و تنها 173- درجه سانتیگراد، است. اما از نظر شیمیایی، برای شروع تصعید کافی است و یخ تبدیل به بخار آب می شود. تصعید در ناحیه کورینو داغ (مرکزی)، یک پوشش گرم محاط مرکز ابر، رخ می دهد.

اگرچه آنها حاوی مولکول های آلی پیچیده هستند، آب به فراوان ترین مولکول در کورینو تبدیل می شود.

آب در این نقطه فراوان است، اگرچه همه آن بخار است. نویسندگان می نویسند: «…یک کورینو داغ معمولی حاوی حدود 10هزار برابر آب اقیانوس های زمین است.این مرحله دوم فرآیند طبق گفته نویسندگان است و آن را فاز پیش ستاره می نامند.

در مرحله بعد، ستاره ها شروع به چرخش می کنند و گاز و غبار موجود، یک صفحه صاف و چرخان به نام صفحه پیش سیاره‌ای تشکیل می دهند. هر چیزی که در نهایت به سیارات منظومه شمسی و سایر ویژگی‌ها تبدیل می‌شود، درون آن صفحه است.

در این نقطه پیش ستاره جوان هنوز در حال جمع آوری جرم است و عمر همجوشی آن در روند اصلی آن در آینده خوب به نظر می‌رسد.

ستاره جوان مقداری گرما ،اما نه زیاد، از ضربه های وارده به سطح خود تولید می کند، بنابراین صفحه سرد است و مناطق دورتر از پیش ستاره جوان سردترین مناطق هستند. به گفته نویسندگان، آنچه بعد از آن اتفاق می افتد بسیار مهم است.

یخ آبی که در مرحله یک تشکیل شده بود در مرحله دو به گاز تبدیل می‌شود اما دوباره در سردترین نقطه صفحه پیش سیاره‌ای متراکم می‌شود. همان جمعیت دانه های گرد و غبار دوباره در یک گوشته یخی شکل می‌گیرند.

حال، مولکول های آب در آن گوشته یخی ، حاوی تاریخچه آب منظومه شمسی هستند. نویسندگان می نویسند: بنابراین، دانه های غبار، نگهبانان میراث آب هستند.این مرحله سوم در این فرآیند است.

در مرحله چهارم، منظومه شمسی شروع به شکل گیری می کند و مشابه یک منظومه کاملاً شکل گرفته است. همه مواردی که ما به آنها عادت کرده‌ایم، مانند سیارات، سیارک‌ها و دنباله‌دارها، شروع به شکل‌گیری و یافتن مدار خود می‌کنند. و همه از آن دانه های ریز گرد و غبار و مولکول های آب دوبار منجمد شده سرچشمه می گیرند.

این وضعیتی است که امروز در آن قرار داریم. در حالی که ستاره شناسان نمی توانند به گذشته سفر کنند، آنها با رصد دیگر منظومه های خورشیدی جوان و یافتن سرنخ هایی برای کل فرآیند پیشرفت کرده‌اند. آب زمین حاوی نکته مهم نسبت آب سنگین به آب معمولی نیز می‌باشد.

هنگامی که یخ آب در مرحله اول تشکیل می شود، دما بسیار پایین است. این باعث ایجاد پدیده ای غیرعادی به نام سوپر دتراسیون می شود. سوپر دوتراسیون نسبت به دماهای دیگر دوتریوم بیشتری را وارد یخ آب می کند.

دوتریوم تنها در چند ثانیه پس از انفجار بزرگ شکل گرفته و مقدار زیادی از آن تشکیل نشده‌است: فقط یک دوتریوم به ازای هر 100هزار اتم پروتیوم وجود دارد.

این بدان معناست که اگر دوتریوم به طور مساوی با آب منظومه شمسی مخلوط شود، فراوانی آب سنگین 10-5 برابر می شود. اما این مساله بسیار پیچیده‌تر است.

در کورینو داغ، فراوانی تغییر می کند. نویسندگان توضیح می دهند: با این حال، در کورینوهای داغ، نسبت HDO/H2O فقط کمی کمتر از 1/100 است.

نویسندگان توضیح می‌دهند: برای وارسی دقیق، D2O آب دوتایی شده 1/1000 نسبت به H2O است، یعنی حدود 107 برابر بزرگ‌تر از آنچه از نسبت فراوانی عنصر D/H تخمین زده می‌شود.

این نسبت‌ها حاوی مقادیر زیادی از دوتریوم به دلیل دوتراسیون فوق‌العاده هستند. در لحظه ای که یخ روی سطوح دانه های غبار تشکیل می شود، تعداد اتم های D در مقایسه با اتم های H فرود آمده روی سطوح دانه ها، افزایش می‌یابند.  توضیح عمیق شیمیایی این مساله خارج از حوصله این مقاله است، اما نتیجه آن روشن است.

نویسندگان می نویسند: هیچ راه دیگری برای به دست آوردن این مقدار زیاد آب سنگین در کورینوهای داغ و یا به طور کلی وجود ندارد. بنابراین، آب سنگین فراوان نشانه سنتز آب در توده ابرهای مولکولی سرد در دوران مرحله اول است.

نکته مهم تا اینجا این است که دو قسمت از سنتز آب وجود دارد. اولین مورد زمانی اتفاق می افتد که منظومه شمسی هنوز شکل نگرفته است و تنها یک ابر سرد است. مورد دوم زمانی است که سیارات تشکیل می شوند.

این دو در شرایط متفاوتی اتفاق می‌افتند و آن شرایط اثر ایزوتوپی خود را روی آب می‌گذارند. آب حاصل از سنتز اول 4.5 میلیارد سال قدمت دارد و این سوال پیش می آید که “چه مقدار از آن آب باستانی به زمین رسیده است؟”

برای یافتن این موضوع، نویسندگان تنها دو مورد مقدار آب در کل و مقدار آب دوتره شده یعنی نسبت آب سنگین به معمولی، HDO/H2O را توانستند مشاهده کنند.

یک نکته را می توان با مقایسه مقادیر HDO/H2O در آب های زمینی با مقادیر کورینوس های داغ پیدا کرد.

کورینوهای داغ تنها مکان حاوی HDO در هر سیستم سیاره‌ای از نوع خورشیدی هنوز در حال شکل‌گیری است. در تحقیقات قبلی، دانشمندان این نسبت‌ها را با نسبت‌های موجود در اجرام منظومه شمسی – دنباله‌دارها، شهاب‌سنگ‌ها و قمر یخی زحل، انسلادوس، مقایسه کردند.

بنابراین آنها می دانند که فراوانی آب سنگین زمین، نسبت HDO/H2O، حدود ده برابر بیشتر از کیهان و در ابتدای منظومه شمسی است.

نویسندگان توضیح می‌دهند: «آب سنگین بیشتر از معمولی» روی زمین حدود ده برابر بیشتر از نسبت D/H عنصری آن در کیهان و در نتیجه در زمان تولد منظومه شمسی، با نام سحابی خورشیدی است.

نتایج تمام این کارها نشان می دهد که بین 1 تا 50 درصد آب زمین از مرحله اولیه تولد منظومه شمسی تامین شده است که این یک یافته بسیار مهم است.

آب موجود در دنباله‌دارها و سیارک‌ها (که اکثریت قریب به اتفاق شهاب‌سنگ‌ها از آن نشات می‌گیرند) از همان ابتدا در مقادیر زیادی به آنها ارث رسیده است. زمین نیز احتمالاً آب اصلی خود را عمدتاً از سیاره‌های کوچک به ارث برده است، که گمان می‌رود پیش ساز سیارک‌ها و سیارات تشکیل دهنده زمین، نه از دنباله‌دارهای باریده بر آن باشند.

انتقال آب توسط دنباله دارها فرضیه دیگری برای آب زمین است. در این فرضیه، زمانی که ستاره های دنباله دار دچار اختلات می‌شوند و از ابر اورت یخ زده به درون منظومه شمسی فرستاده می شوند، آب یخ زده از آن سوی خط یخبندان به زمین می رسد. این ایده منطقی است.اما این مطالعه نشان می دهد که ممکن است درست نباشد.

با این حال، هنوز سوالاتی بی پاسخ باقی مانده‌اند. اما این مطالعه نشان دهنده میزان آب سنگین روی زمین حداقل می‌تواند آغازی برای کشف این موضوع باشد.

آنها توضیح می دهند: قدمت آب زمین 4.5 میلیارد سال است، درست همانطور که عنوان مقاله می گوید. حداقل بخشی از این قدمت را دارد. به گفته نویسندگان، سیاره‌های کوچک احتمالاً آن را به زمین انتقال داده‌اند، اما دقیقاً چگونگی وقوع آن مشخص نیست. پیچیدگی های بسیار بیشتری نیز وجود دارد که دانشمندان باید قبل از کشف، آنها را مرتب کنند.

این موضوعات بسیار با یکدیگر درگیر است زیرا منشاء و تکامل آب زمین به ناچار با سایر شرکت کنندگان مهم در این سیاره مانند کربن، اکسیژن مولکولی و میدان مغناطیسی مرتبط است.

همه موارد چگونگی پیدایش زندگی و نحوه شکل گیری جهان با هم در ارتباط است. آب احتمالاً در شکل گیری سیاره های کوچکی که آن را به زمین رسانده اند، نقش داشته است و احتمالاً در انبساط مواد شیمیایی دیگر، از جمله اجزای سازنده حیات، بر روی اجسام صخره‌ای که آنها را به زمیزن می‌رساند، نیز نقش داشته است.

آب در مرکز همه چیز قرار دارد، و نویسندگان با نشان دادن اینکه قدمت قسمتی از آن به ابتدای منظومه شمسی بازمی‌گردد، نقطه شروعی برای کشف دیگر موارد فراهم کرده‌اند.

آنها می نویسند: در اینجا، ما یک تاریخچه ساده شده اولیه از منشا آب در زمین را طبق آخرین مشاهدات و نظریه ها ارائه کردیم.بخش خوبی از آب زمینی احتمالاً در همان ابتدای تولد منظومه شمسی زمانی که ابری سرد از گاز و غبار بوده‌است، در طی مراحل مختلف منجر به شکل‌گیری سیارات، سیارک‌ها و دنباله‌دارها شده، یخ زده و حفظ شده و شکل گرفته‌است. در نهایت به زمین نوپا منتقل شده‌است.

آنها در پایان می‌گویند: فصل نهایی آن، فرایند جذاب دیگری است.