رفتن به محتوای اصلی
توضیح کوهستانمنشأ آبکالبدشکافی علمی۲۱ مرداد ۱۴۰۵، ۱۹:۱۴· 4 دقیقه مطالعه· #7 از 7 در علم

معمای منشأ آب در زمین: آیا اقیانوس‌ها از فضا آمده‌اند یا از اعماق سیاره جوشیده‌اند؟

دهه‌هاست که دانشمندان بر سر این موضوع بحث می‌کنند که آیا آب زمین توسط سیارک‌های یخی به اینجا منتقل شده یا از همان ابتدا در گوشته سیاره محبوس بوده است. شواهد ایزوتوپی و زمین‌شناسی جدید نشان می‌دهد که اقیانوس‌های ما حاصل ترکیب پیچیده‌ای از هر دو منبع هستند.

به قلم الوین شادمهر

پژوهشگران سیارکی و فضایی 40%زمین‌شناسان اعماق 40%شیمی‌دانان کیهانی 20%
پژوهشگران سیارکی و فضایی
معتقدند که بخش عمده آب سطح زمین توسط سیارک‌های کندریت کربن‌دار در اواخر فرآیند شکل‌گیری سیاره به اینجا منتقل شده است.
زمین‌شناسان اعماق
استدلال می‌کنند که زمین از همان ابتدا آب را در ساختار معدنی گوشته خود محبوس کرده و سپس آن را به سطح رانده است.
شیمی‌دانان کیهانی
با بررسی ایزوتوپ‌ها، به دنبال ایجاد یک مدل ترکیبی هستند که سهم دقیق هر دو منبع درونی و بیرونی را مشخص کند.

چرا مهم است

درک چگونگی پیدایش آب در زمین، تنها به معنای شناخت تاریخچه سیاره خودمان نیست؛ بلکه به ما نشان می‌دهد که مکانیزم‌های توزیع آب در کیهان چگونه کار می‌کنند و در کدام سیارات فراخورشیدی باید به دنبال نشانه‌های حیات باشیم.

به یک لیوان آب خنک نگاه کنید. این مایع شفاف که حیات ما به آن وابسته است، از نظر منطق فیزیکی نباید روی سیاره ما وجود داشته باشد. زمین در بخش داخلی و داغ منظومه شمسی متولد شد؛ جایی که گرمای شدید خورشید جوان، هرگونه رطوبتی را تبخیر می‌کرد و به فضا می‌راند. با این حال، امروز بیش از ۷۰ درصد سطح سیاره ما با اقیانوس‌ها پوشیده شده است. این تضاد، یکی از بزرگترین معماهای علوم سیاره‌ای را رقم زده است.[3]

برای دهه‌ها، دانشمندان بر سر یک دوراهی بزرگ قرار داشتند. یک گروه معتقد بودند که زمین در ابتدا یک صخره کاملاً خشک بوده و آب بعدها توسط بمباران سیارک‌ها و دنباله‌دارها به آن اضافه شده است (نظریه روکش متاخر). گروه دیگر استدلال می‌کردند که آب از همان ابتدا در دل سنگ‌ها و مواد تشکیل‌دهنده زمین محبوس بوده و به مرور زمان از طریق فعالیت‌های آتشفشانی به سطح راه یافته است (نظریه منشأ درونی).[3]

برای حل این معما، دانشمندان به جای نگاه کردن به آسمان، به ساختار مولکولی خود آب خیره شدند. کلید این معما در مفهومی به نام «ایزوتوپ» نهفته است. بیشتر اتم‌های هیدروژن در آب دارای یک پروتون و بدون نوترون هستند. اما کسر کوچکی از آن‌ها، یک نوترون اضافه دارند که به آن‌ها «دوتریوم» یا هیدروژن سنگین گفته می‌شود.[2]

نسبت دوتریوم به هیدروژن معمولی (D/H)، مانند یک اثر انگشت کیهانی عمل می‌کند. هر جرم آسمانی در منظومه شمسی، بسته به اینکه در چه فاصله‌ای از خورشید شکل گرفته باشد، نسبت D/H منحصر‌به‌فرد خود را دارد. اگر بخواهیم منشأ آب زمین را پیدا کنیم، فقط کافی است این اثر انگشت را با آب‌های موجود در سایر نقاط فضا تطبیق دهیم.[2][3]

برای سال‌ها، دنباله‌دارها متهمان ردیف اول بودند. این اجرام که به عنوان «گلوله‌های برفی کثیف» شناخته می‌شوند، مملو از یخ هستند و در اوایل تاریخ منظومه شمسی به وفور با زمین برخورد می‌کردند. ایده این بود که این برخوردهای عظیم، اقیانوس‌های ما را پر کرده‌اند.

اما ماموریت فضایی «روزتا» (Rosetta) متعلق به آژانس فضایی اروپا، این فرضیه را با چالش جدی مواجه کرد. هنگامی که کاوشگر روزتا آب موجود در دنباله‌دار 67P را آنالیز کرد، متوجه شد که نسبت دوتریوم به هیدروژن در آن، سه برابر بیشتر از آب اقیانوس‌های زمین است. این کشف نشان داد که دنباله‌دارها نمی‌توانند تامین‌کننده اصلی آب زمین باشند.

اما ماموریت فضایی «روزتا» (Rosetta) متعلق به آژانس فضایی اروپا، این فرضیه را با چالش جدی مواجه کرد.

با کمرنگ شدن نقش دنباله‌دارها، توجه‌ها به سمت سیارک‌ها جلب شد؛ به ویژه گروهی از آن‌ها که به «کندریت‌های کربن‌دار» معروف هستند. این سنگ‌های فضایی باستانی که عمدتاً در کمربند سیارکی بین مریخ و مشتری می‌چرخند، حاوی مقادیر قابل توجهی آب محبوس در ساختار معدنی خود هستند.[2]

بررسی شهاب‌سنگ‌های سقوط‌کرده از این نوع روی زمین نشان داد که اثر انگشت ایزوتوپی آن‌ها، تطابق شگفت‌انگیزی با آب اقیانوس‌های ما دارد. این شواهد، کفه ترازو را به نفع نظریه «انتقال فضایی» سنگین کرد. اما هنوز یک سوال بی‌پاسخ مانده بود: چگونه این سیارک‌ها توانستند آب خود را در طول برخوردهای آتشین و خشن با زمین جوان حفظ کنند؟[2][3]

در همین زمان، زمین‌شناسان اعماق در حال بررسی نظریه دوم بودند: منشأ درونی. آن‌ها معتقد بودند که غبار و سنگ‌هایی که خود زمین را شکل دادند، از همان ابتدا حاوی مولکول‌های آب بوده‌اند. اما پیدا کردن شواهد برای این ادعا نیازمند نگاه کردن به اعماق غیرقابل دسترس سیاره بود.[1]

پیشرفت غیرمنتظره زمانی رخ داد که محققان یک الماس کثیف و بی‌ارزش تجاری را در برزیل کشف کردند. این الماس که از اعماق زمین به سطح پرتاب شده بود، حاوی یک ناخالصی میکروسکوپی از ماده‌ای به نام «رینگ‌وودیت» (Ringwoodite) بود.[1]

رینگ‌وودیت یک کانی سیلیکاتی است که تنها تحت فشار خردکننده «منطقه انتقال گوشته» (در عمق ۴۱۰ تا ۶۶۰ کیلومتری زمین) شکل می‌گیرد. شگفتی بزرگ این بود که ساختار بلوری این کانی، مانند یک اسفنج عمل کرده و می‌تواند مقادیر عظیمی از یون‌های هیدروژن و اکسیژن را در خود به دام بیندازد.[1][3]

محاسبات نشان داد که اگر تنها یک درصد از وزن رینگ‌وودیت‌های موجود در گوشته زمین از آب تشکیل شده باشد، حجم آب محبوس در اعماق سیاره ما می‌تواند تا سه برابر بیشتر از مجموع تمام اقیانوس‌های روی سطح زمین باشد. این کشف ثابت کرد که زمین از همان ابتدا ظرفیت نگهداری آب در درون خود را داشته است.[1]

امروز، علم به یک سنتز و ترکیب از هر دو نظریه رسیده است. به احتمال زیاد، زمین جوان بخش بزرگی از آب خود را در طول فرآیند شکل‌گیری در گوشته خود محبوس کرده است. با سرد شدن سیاره، این آب از طریق آتشفشان‌ها به شکل بخار خارج شده و اولین اتمسفر و اقیانوس‌ها را شکل داده است.[3]

در عین حال، بمباران مداوم سیارک‌های کندریت کربن‌دار در میلیون‌ها سال بعد، مانند یک سیستم آبرسانی تکمیلی عمل کرده و ذخایر آب سطح زمین را افزایش داده است. بنابراین، آبی که امروز می‌نوشید، ترکیبی شگفت‌انگیز از رطوبت پنهان در اعماق زمین و یخ‌های باستانی سیارک‌های دوردست است.[2][3]

نکات کلیدی

  • زمین در منطقه‌ای داغ از منظومه شمسی شکل گرفت که قاعدتاً باید فاقد آب می‌بود.
  • نسبت ایزوتوپی دوتریوم به هیدروژن (D/H) نشان می‌دهد که آب زمین با سیارک‌های کندریت کربن‌دار تطابق دارد، نه دنباله‌دارها.
  • کشف کانی رینگ‌وودیت در الماس‌های اعماق زمین ثابت کرد که گوشته سیاره می‌تواند میزبان اقیانوس‌های پنهان باشد.
  • دانشمندان اکنون معتقدند آب زمین ترکیبی از منابع درونی (محبوس شده هنگام پیدایش) و منابع بیرونی (سیارک‌ها) است.

اصطلاحات کلیدی

ایزوتوپ (Isotope)
اتم‌های یک عنصر که تعداد پروتون‌های برابر اما تعداد نوترون‌های متفاوتی دارند و در نتیجه وزن آن‌ها متفاوت است.
دوتریوم (Deuterium)
ایزوتوپ سنگین هیدروژن که به جای داشتن تنها یک پروتون، دارای یک پروتون و یک نوترون در هسته خود است.
کندریت کربن‌دار (Carbonaceous Chondrite)
نوعی شهاب‌سنگ باستانی و غنی از کربن که حاوی مواد آلی و مقادیر قابل توجهی آب محبوس در ساختار معدنی خود است.
رینگ‌وودیت (Ringwoodite)
یک کانی کمیاب که تحت فشار شدید در منطقه انتقال گوشته زمین شکل می‌گیرد و ساختار آن می‌تواند آب را به دام بیندازد.

پرسش‌های متداول

چرا دنباله‌دارها منبع اصلی آب زمین نیستند؟

بررسی‌های کاوشگر روزتا نشان داد که نسبت ایزوتوپ دوتریوم به هیدروژن در دنباله‌دارها بسیار بالاتر از آب اقیانوس‌های زمین است، که این عدم تطابق، آن‌ها را از لیست منابع اصلی خارج می‌کند.

رینگ‌وودیت چیست و چه اهمیتی دارد؟

رینگ‌وودیت یک کانی سیلیکاتی است که در اعماق گوشته زمین شکل می‌گیرد و می‌تواند مقادیر عظیمی از آب را در ساختار بلوری خود حبس کند. کشف آن ثابت کرد که زمین ظرفیت نگهداری آب درونی را دارد.

آیا آب اقیانوس‌ها در حال افزایش است؟

خیر، چرخه آب زمین در مقیاس سیاره‌ای تقریباً بسته است. آبی که امروز در اقیانوس‌ها وجود دارد، همان آبی است که میلیاردها سال پیش از طریق سیارک‌ها و آتشفشان‌ها تامین شده است.

منابع

پوشش منابع

3 منبع

3 دیدگاه شناسایی‌شده

پژوهشگران سیارکی و فضایی 40%زمین‌شناسان اعماق 40%شیمی‌دانان کیهانی 20%
  1. [1]Natureزمین‌شناسان اعماق

    Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond

    مطالعه در Nature
  2. [2]Scienceپژوهشگران سیارکی و فضایی

    Hydrogen Isotopic Composition of Carbonaceous Chondrites and the Origin of Earth's Water

    مطالعه در Science
  3. [3]تیم سردبیری کوهستانشیمی‌دانان کیهانی

    تحلیل تیم سردبیری کوهستان

    مطالعه در تیم سردبیری کوهستان

نظرات

همیشه در جریان باشید

هر زاویه. هر روز.

دریافت علم اخبار همراه با پوشش کامل منابع و تحلیل دیدگاه‌ها، مستقیم در صندوق ورودی شما.