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

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.

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]