آب چگونه به کره زمین آمده است؟

کره زمین در بخشی از منظومه شمسی با فاصله‌ای مناسب نسبت به خورشید قرار دارد که امکان جریان یافتن آب مایع را فراهم کرده است. اگر کمی فاصله‌ زمین به ستاره میزبانش بیشتر شود، تمامی آب‌های سطح سیاره منجمد می‌شوند و اگر زمین به خورشید کمی نزدیک‌تر شود، به کوره‌ی داغی شبیه به سیاره زهره بدل می‌شود. این موقعیت ایدئال که به آن «کمربند حیات» یا «منطقه گلدی‌لاکس» گفته می‌شود، منطقه‌ای است که شرایط لازم برای جاری شدن آب مایع و همین‌طور جو پایدار و بعدا، شکل‌گیری حیات را فراهم کرده است.

اما آب چگونه به کره زمین آمده است؟ آب نقش بسیار مهمی در سیاره ما ایفا کرده و درک چگونگی ورود آب به کره زمین می‌تواند درک ما از نحوه و زمان شکل‌گیری حیات را نیز دگرگون کند. اما دانشمندان هنوز به پاسخ قطعی نرسیدند و حتی نمی‌دانند این آب از کجا آمده است. فرضیه کنونی در مورد نحوه‌ی شکل‌گیری سیاره‌ زمین نشان می‌دهد که زمین از یک «دیسک پیش‌سیاره‌ای» به‌وجود آمده است. دیسک پیش‌سیاره‌ای، توده‌ی بزرگی از گاز و گرد و غبار بود که قبل از تشکیل زمین به دور خورشید جوان گردش می‌کرد. به تدریج ذرات درون دیسک، توده‌ای بزرگ و بزرگ‌تر را شکل دادند که سرانجام به «خرده‌سیارات» و بعدا به سیاراتی مانند کره زمین بدل شدند.

اما در اوایل شکل‌گیری منظومه شمسی، دیسک پیش‌سیاره‌ای که زمین از آن به وجود آمد، در موقعیتی بسیار گرم‌‌تر قرار داشت. از این رو، حتی اگر به احتمال زیاد مولکول‌های آب در این دیسک وجود داشتند تبخیر شدند. از این گذشته، در دوران اولیه شکل‌گیری کره زمین، جوی وجود نداشت و قطرات آب مایع به راحتی به فضا می‌رفتند. همین مسئله این سؤال را مطرح کرده که اگر زمین از دیسکی حاوی آب شکل نگرفته، آب چگونه به سیاره آمده است؟

سیارک‌ها یا دنباله‌دارها، کدام یک از این اجرام آب را به زمین آوردند؟

دانشمندان گمان می‌برند اگر آب همراه‌با خود سیاره تشکیل نشده باشد، احتمالا از فضا وارد کره زمین شده است. سیارک‌ها و دنباله‌دارها از جمله اجرامی هستند که از فضا وارد زمین می‌شوند و هر دو دارای مقادیر متنابهی یخ هستند. در واقع، مدل‌سازی‌های انجام گرفته از ترکیب سیارک‌ها و دنباله‌دارها نشان می‌دهد که این اجرام مقادیر یخی به اندازه تمامی اقیانوس‌های کره زمین دارند.

اما حالا سؤال اینجا است که آیا این یک ستاره دنباله‌دار بود که برای اولین‌بار، مایع حیات را از فضا به کره زمین آورد یا یک سیارک؟ و اگر فرضیه دانشمندان درست باشد، آیا آب زمین در یک رویداد برخوردی تأمین شده یا اینکه چندین برخورد موجب شده مقادیر زیادی آب وارد زمین شود؟ و مهم‌تر اینکه این رویدادهای برخوردی چه زمانی رخ دادند؟

راه‌حل پیشنهادی دانشمندان برای حل این معما، مقایسه آب موجود در اقیانوس‌های زمین با ترکیب شیمیایی آب موجود در این اجرام کیهانی است. به‌عنوان مثال، یک مولکول آب همواره دارای ۱۰ پروتون (۸ پروتون از مولکول اکسیژن و ۲ پروتون از هر کدام از مولکول‌‌های هیدروژنش) است و معمولا ۸ نوترون (تنها از مولکول اکسیژن) دارد. اما ایزوتوپ‌های مختلف آب ممکن است نوترون‌های بیشتری داشته باشند. به‌عنوان مثال، آب سنگین که از ترکیب اکسیژن و دوتریوم به دست می‌آید، ایزوتوپ‌های هیدروژن متفاوت با آب معمولی دارد.

دانشمندان تا مدت‌ها تصور می‌کردند که آب از سیارک‌ها به زمین آمده است. اما هنگامی که فضاپیمای رُزتا وارد مدار «دنباله‌دار ۶۷ پی/چوریوموف-گراسیمنکو» شد و توانست سطح‌نشینی به نام فیله را به سطح این دنباله‌دار بفرست، ورق برگشت. دانشمندان از اطلاعات کاوشگرهای رزتا و فیله روزتا دریافتند که نسبت آب سنگین با آب معمولی در دنباله‌دارها نسبت به زمین کاملا متفاوت است. از این جهت، گمان می‌رود، حداکثر تا ۱۰ درصد آب زمین می‌توانسته از یک ستاره دنباله‌دار سرچشمه گرفته باشد.

هر چند، در سال ۲۰۱۸، «دنباله‌دار ۴۶ پی/ ورتانن (46P/Wirtanen)» که به وسیله «رصدخانه استراتوسفری اخترشناسی فروسرخ» یا «سوفیا (SOFIA)» مورد مطالعه قرار گرفت، امکان بررسی آرایش ایزوتوپی دنباله‌دارها را به‌صورت دقیق‌تری فراهم کرد. دانشمندان دریافتند که نسبت دوتریوم و هیدروژن در این دنباله‌دار با نمونه‌های موجود در زمین یکسان است. اما سؤال این است که چه چیزی باعث تفاوت این دنباله‌دار با دنباله‌داری می‌شود که رزتا و فیله کاوش کردند؟

دنباله‌دار ورتانن از دسته‌ای از دنباله‌دارها موسوم به «دنباله‌دارهای بیش‌فعال» است. این دسته از دنباله‌دارها هرچه به نسبت دنباله‌دارهای معمولی به خورشید نزدیک‌تر می‌شوند، آب بیشتری را از دست می‌دهند. هنگامی که یک دنباله‌دار معمولی به خورشید نزدیک می‌شود، ذرات یخ از هسته‌ی آن یا مستقیما از یخ‌های سطحی به گاز تبدیل می‌شوند. اما یک دنباله‌دار بیش‌فعال نه‌تنها از هسته خود، بلکه از ذرات موجود در جو خود نیز یخ از دست می‌دهد. همین ذرات موجود در جو ممکن است باعث شده باشد، دنباله‌دارهای بیش‌فعال دارای آبی با نسبت ایزوتوپی مشابه کره زمین باشند. از این رو، حتی با درنظرگرفتن این نکته که دنباله‌دارهای بیش‌فعال کمیاب‌تر هستند، این واقعیت که این دنباله‌دارها دارای آبی با آرایش ایزوتوپی مشابه آب موجود در کره زمین هستند، باعث می‌شود فرض را بر این بگذاریم که این میهمانان ناخوانده، زمانی آب را از فضا به زمین آورده‌اند.