Vi har kometer och asteroider för att tacka för jordens vatten, enligt den vanligaste teorin bland forskare. Men det är inte så klippt och torkat. Det är fortfarande lite av ett mysterium, och en ny studie antyder att inte allt jordens vatten levererades till vår planet på det sättet.
Väte är det vanligaste elementet i universum, och det är mitt i frågan kring jordens vatten. Denna nya studie leddes av Peter Buseck, professor i Regents i School of Earth and Space Exploration and School of Molecular Sciences vid Arizona State University. I den föreslår författarna att väte kom, åtminstone delvis, från solnebulan, ett moln av gas och damm som återstod efter att solen bildades.
Innan vi går igenom detaljerna i den här nya studien är det bra att titta på den långvariga teorin om att den kan ersätta.
Under en lång tid trodde de flesta forskare att vatten-från-kometer och asteroider versionen av vattens ursprung här på jorden. Det hela börjar med bildandet av solen.
När solen bildades av ett molekylärt moln svepte det upp det mesta av materialet i molnet och lämnade lite kvar för allt annat: planeter, asteroider och kometer. När solen brast ut i liv med fusion skickade en kraftig solvind mycket väte från dess yttre lager utöver där de inre steniga planeterna - Merkurius, Venus, Jorden och Mars - befinner sig idag.
Detta är gasgiganternas rike, och ännu viktigare kometer och asteroider. Kometer är isiga, steniga kroppar, som tros innehålla betydande mängder väte som blåses ut där av den tidiga solen, och asteroider också, även om de i mindre utsträckning. De blev en betydande behållare för väte.
När jorden bildades var det en smält boll, dess yta hölls i det tillståndet genom upprepad kollision med asteroider. Hittills, så bra, eftersom det tidiga solsystemet var en mycket mer kaotisk plats än det är nu. När asteroider och kometer träffade den heta jorden kokades vattnet och väte i den ut i rymden. När jorden kyldes med tiden tilläts vatten från komet- och asteroidkollisioner kondensera på jorden och kokades inte ut i rymden. Vattnet fastnade runt.
Beviset för detta ligger i isotopförhållanden. Förhållandet mellan deuterium av tungt väteisotop och normalt väte är en kemisk signatur. Två vattendrag med samma förhållande måste ha samma ursprung, tänker man. Och jordens hav har samma förhållande som vatten på asteroider.
Det är en mycket förenklad version av den allmänt teorin om hur vatten kom till jorden.
Men forskare är malcontents och försöker alltid ha en bättre och mer grundlig förståelse av saker. De ifrågasatte teorin om "vatten från kometer" innan denna senaste studie kom ut.
Redan 2014 studerade vissa forskare frågan genom att titta på meteoriter i olika åldrar. (Meteoriter är bara asteroider som har slagit jorden.) Först tittade de på vad som kallas 'kolhaltiga kondritmeteoriter'. De är de äldsta vi känner till, och de bildades ungefär samma tid som solen gjorde. De är de främsta byggstenarna på jorden.
Därefter studerade de meteoriter som vi tror härstammar från den stora asteroiden Vesta. Vesta bildades i samma region som Jorden, cirka 14 miljoner år efter att solsystemet föddes. Enligt denna studie från 2014 liknade de gamla meteoriterna den stora solsystemets sammansättning och har mycket vatten i sig, så de har allmänt betraktats som källan till jordens vatten.
Mätningarna i denna studie 2014 visade att dessa meteoriter har samma kemi som de kolhaltiga kondriterna och stenarna som finns på jorden. De drog slutsatsen att kolhaltiga kondriter är den vanligaste vanliga vattenkällan. Vid den tiden sa Horst Marschall, en av författarna till studien, ”Studien visar att jordens vatten troligtvis förenades samtidigt som berget. Planeten bildades som en våt planet med vatten på ytan. ” Teamet bakom denna studie erkände att en del av vårt vatten kom från påverkan.
Som leder oss till denna nya studie, som förstärker slutsatserna från 2014-studien.
Författarna till denna nya studie säger att oceanerna och deras isotopförhållanden kanske inte berättar hela historien. "Det är lite av en blind plats i samhället," sade Steven Desch, professor i astrofysik vid School of Earth and Space Exploration vid Arizona State University i Tempe, Arizona. "När människor mäter förhållandet [deuterium-till-väte] i havsvatten och de ser att det är ganska nära det vi ser i asteroider, var det alltid lätt att tro att allt kom från asteroider." Det är svårt att skylla på dem; det är en ganska övertygande bevis.
"Det är lite av en blind plats i samhället." - Steven Desch, School of Earth and Space Exploration, ASU.
Desch och de andra författarna till denna nya studie pekar på forskning som publicerades 2015 som visar att jordens hav kanske inte är representativt för jordens grundvatten. Haven kan ha cyklat mellan ytan och en djupare vattenbehållare, djupt i jorden. Detta kan ha ändrat förhållandet över tid, och det kan betyda att detta djupare vatten representerar åtminstone en del av jordens verkliga urvattnet. Och att vattnet kan ha kommit direkt från solnebulan, snarare än genom komet- och asteroidpåverkan.
Studien utvecklar en ny teoretisk modell för jordens bildning för att förklara dessa skillnader mellan väte i jordens hav och vid kärnmantelgränsen.
Denna nya modell visar stora vattenloggade asteroider som bildats till planeter för miljarder år sedan i solnebulan som virvlar runt solen. Dessa planetariska embryon drabbades av sekventiell kollision och de växte snabbt. Så småningom, säger de, en tillräckligt kraftig kollision smälte ytan på det största embryot till ett hav av magma. Detta största embryo blev Jorden.
Detta stora embryo hade tillräckligt med tyngdkraft för att hålla fast i en atmosfär, och det lockade gaser, inklusive väte, den mest rikliga, från solnebulan till en sådan. Vätet i solnebulan innehöll mindre deuterium och är lättare än asteroidalt väte. Det löstes upp i smält järn i magmahavet på jorden.
Vätet drogs till jordens centrum genom en process som kallas isotopfraktionering. Väte lockas till järn och levererades jordens kärna av järnet. Deuterium, den tunga väteisotopen, förblev i magma, som kyldes för att bilda jordens mantel. Fortsatta påverkningar förde mer vatten och massa till jorden tills den nådde den massa den är i dag.
Nyckelpunkten i denna nya modell är att väte i jordens kärna skiljer sig från väte i manteln och i haven. Kärnvatten har mycket mindre deuterium. Men vad betyder allt?
Den nya modellen gjorde det möjligt för författarna att uppskatta mängden vatten som kom från asteroidpåverkan när jorden växte och utvecklades, jämfört med hur mycket som kom från solnebulan när jorden bildades. Deras slutsats? "För varje 100 molekyler i jordens vatten kommer det en eller två från solnebulosan," säger Jun Wu, biträdande forskarprofessor vid School of Molecular Sciences and School of Earth and Space Exploration vid Arizona State University och medledande författare till studien.
Denna studie är ett nytt perspektiv på planetbildning, utveckling och hur tidigt liv kunde blomstra på en ung planet.
”Den här modellen antyder att den oundvikliga bildningen av vatten sannolikt skulle inträffa på alla tillräckligt stora steniga exoplaneter i extrasolära system. Jag tycker att det här är väldigt spännande. ” - Jun Wu, School of Molecular Sciences and School of Earth and Space Exploration at ASU, co-lead author.
Tidigare trodde vi att de enda planeterna som kunde ha liv på dem skulle behöva vara i ett solsystem rikt med vattenbärande asteroider och kometer. Men det kanske inte är fallet. I andra solsystem har inte alla jordliknande planeter tillgång till asteroider belastade med vatten. Den nya studien antyder att alla bebodda exoplaneter kan ha fått vatten från solnebulan i sitt system. Jorden gömmer det mesta av sitt vatten i sitt inre. Jorden har ungefär två hav i sin mantel och 4 eller 5 i sin kärna. Exoplaneter kan vara liknande.
"Denna modell antyder att den oundvikliga bildningen av vatten sannolikt skulle inträffa på alla tillräckligt stora steniga exoplaneter i extrasolära system," sade Wu. "Jag tycker att det här är väldigt spännande."
Det finns dock en försiktighetspunkt i denna nya modell, och det innebär vätefraktionering. Det är inte väl förstått hur deuterium-till-väteförhållandet förändras när elementet upplöses i järn, vilket är i mitten av denna nya modell. Det måste beräknas i denna nya studie.
Sammantaget passar den nya studien väl in i annan forskning om jordens vatten. När mer arbete har utförts med vätefraktionering kan den nya modellen testas mer noggrant.
- AGU: s pressmeddelande: "Forskare teoretiserar ny historia för jordens vatten"
- Forskningsdokument: "Ursprunget till jordens vatten: kondritisk ärft plus nebulär ingassing och lagring av väte i kärnan"
- Forskningsdokument: "Bevis för grundvatten i jordens djupa mantel"
- Forskningsdokument: "Tidig tillförsel av vatten i det inre solsystemet från en kolhaltig kondritliknande källa"
- Wikipedia: Bildning och utveckling av solsystemet
- Wikipedia: 4 Vesta
