حیات بشر به آب وابسته است و حدود ۷۱ درصد سطح سیاره ما را آب پوشش داده است. بدن نوزادان از نزدیک به ۷۸ درصد آب و بدن بزرگسالان از حدود ۶۰ درصد آب تشکیل شده است. این مایع حیاتی که مایع حیات نیز نامیده می‌شود، از کجا آمده است؟ پاسخ به این سوال می‌تواند در درک منشأ حیات روی زمین و پیش‌بینی وجود آب در سیارات فرا‌خورشیدی راهنمای ما باشد.
منشأ آب در کره زمین
زمین به دلیل داشتن اقیانوس‌های آب مایع، بی‌نظیر در میان سیارات سنگی منظومه شمسی است. آب مایع برای تمام اشکال شناخته‌شده حیات ضروری است و در زمین به وفور یافت می‌شود، زیرا این سیاره در فاصله‌ای از خورشید قرار دارد که نه باعث تبخیر کامل آب می‌شود و نه یخ‌زدگی آن. نظریه‌های متعددی درباره چگونگی پیدایش آب در زمین وجود دارد که بیش‌تر به دو دسته تقسیم می‌شوند یا زمین با پیش‌ساز‌های مولکولی آب متولد شده، یا سنگ‌های فضایی حاوی آب مانند سیارک‌ها و دنبالهدارها پس از شکل‌گیری زمین، آب را به این سیاره آورده‌اند. دانشمدان مداما در حال اصلاح مدل‌های منظومه شمسی اولیه‌اند تا منشأ دقیق آب را مشخص کنند.
تاریخچه آب کره زمین
یکی از پارامتر‌های تخمین زمان ظهور آب روی زمین، از دست رفتن مداوم آب در فضا است. مولکول‌های آب در جو تجزیه می‌شوند و اتم‌های هیدروژن آزادشده گاهی از کشش گرانشی زمین فرار می‌کنند. وقتی زمین جوان‌تر و کم‌جرم‌تر بود، آب به راحتی می‌توانست از گرانش فرار کند. نسبت‌های ایزوتوپی گاز‌های سنگین در جو فعلی می‌تواند نشان‌دهنده می‌زان از دست رفتن آب در طول تاریخ باشد. مطالعه ۹ ایزوتوپ پایدار زنون در جو زمین نشان می‌دهد که از ابتدای شکل‌گیری تا کنون، حجم آبی معادل یک اقیانوس از دست رفته است.
دانشمندان معتقدند هر‌گونه آب روی زمین در دوره برخورد سیاره‌ای به اندازه مریخ با زمین (نزدیک به ۴.۵ می‌لیارد سال پیش) که منجر به شکل‌گیری ماه شد، از بین رفته است. این برخورد باعث تبخیر بخش زیادی از آب در پوسته و گوشته بالایی زمین و تشکیل جوی متراکم از بخار آب شده است. حدود ۲ هزار سال طول کشید تا این بخار متراکم شود و اقیانوس‌های آب مایع شکل بگیرند، با وجود اینکه دمای زمین نزدیک به ۲۳۰ درجه سانتی‌گراد بوده است.
شواهد زمین‌شناسی نیز چارچوب زمانی برای آب مایع را محدود می‌کنند. سنگ‌های بازالتی بالشتی که در فوران‌های زیرآبینه شکل می‌گیرند، نشان می‌دهند آب ۳.۸ می‌لیارد سال پیش روی زمین وجود داشته است. مطالعات دیگر آب را در سنگ‌هایی با سن ۴.۲۸ می‌لیارد سال شناسایی کرده‌اند که دیرینه‌ترین نمونه سنگ حاوی آب است. محققان گزارش داده‌اند که آب کافی برای شکل‌گیری اقیانوس‌ها از ابتدای شکل‌گیری زمین وجود داشته است.
برخلاف سنگ‌ها، کانی‌های زیرکن در برابر فرسایش و فرا‌یند‌های زمین‌شناسی مقاوم‌ترند و برای درک شرایط اولیه زمین مفید هستند. شواهد کانی‌شناسی نشان می‌دهد آب مایع باید بیش از ۴.۴ می‌لیارد سال پیش، بسیار سریع‌تر از شکل‌گیری کامل زمین، وجود داشته باشد. این نکته ظاهری تناقضی دارد، زیرا فرض بر این است که زمین در ابتدا داغ و مذاب بوده، اما اگر نظریه صحت داشته باشد، سطح زمین از ابتدا عایق حرارتی مناسب داشته و صفحات تکتونیک با جذب دی‌اکسید کربن، اثر گلخانه‌ای را کاهش داده و شرایط را برای آب مایع مهیا کرده‌اند.
چه مقدار آب در زمین وجود دارد؟
اگرچه اقیانوس‌ها بیش‌تر سطح زمین را می‌پوشانند، تنها ۰.۰۲۳ درصد جرم کل سیاره را تشکیل می‌دهند. تخمین زده می‌شود حدود ۱۰ به توان ۲۰ کیلوگرم آب در دریاچه‌ها، رودخانه‌ها، آب‌های زیرزمینی و بخار جوی وجود دارد. مقادیر قابل‌توجه‌ی آب در پوسته، گوشته و هسته زمین نیز ذخیره شده است. تقریبا ۳ برابر جرم اقیانوس‌ها می‌تواند در گوشته و ۴ تا ۵ برابر در هسته زمین وجود داشته باشد.
آب در زمین از کجا آمده است؟
دانشمندان فرضیه‌های مختلفی برای پاسخ به این سوال ارائه کرده‌اند. در ادامه محتمل‌ترین آن‌ها را مرور می‌کنیم.
آب کره زمین از منابع فرا‌سیاره‌ای تأمین شده است
آب دمای تراکم کمتری نسبت به مواد سازنده سیارات مانند آهن و سیلیکات دارد. زمین اولیه تنها پیش‌سیاره‌ای داغ بود و امکان شکل‌گیری اقیانوس‌ها هم‌زمان با زمین وجود نداشت. در فواصل دور‌تر از خورشید، آب متراکم شده و سیارات کوچک یخی را شکل داده است؛ بنابراین اجرام فرا‌تر از خط یخبندان مانند دنبالهدارها، اجرام فرا‌تر از نپتون و شهاب‌های غنی از آب، آب را به زمین رسانده‌اند. فرضیه‌ای ادعا می‌کند زمین وقتی ۶۰ تا ۹۰ درصد اندازه فعلی خود را داشت، سیارات یخی کوچک را به سمت خود کشیده و در این فرآیند آب را نگه داشته است. این فرضیه با شباهت نسبت ایزوتوپی آب بین قدیمی‌ترین شهاب‌سنگ‌ها هم‌سو است، اما برای تبیین کامل منشأ آب کافی نیست.
یکی از چالش‌ها تفاوت نسبت ایزوتوپی گاز‌های نجیب در جو و گوشته زمین است که نشان‌دهنده منشأ‌های مختلف برای آن‌هاست. مدل‌های دینامیکی منظومه شمسی اولیه نشان می‌دهند اگر مشتری به خورشید نزدیک‌تر شده باشد، سیارک‌های یخی حاوی آب می‌توانستند به زمین نزدیک شوند.
آب در زمین از ابتدای شکل‌گیری منظومه شمسی وجود داشته است
نسبت‌های ایزوتوپی مانند اثرانگشت‌های شیمیایی برای مقایسه آب در زمین و سایر نقاط منظومه شمسی کاربرد دارند. نسبت دوتریوم به هیدروژن از مهم‌ترین این نسبت‌هاست. دوتریوم، ایزوتوپ سنگین هیدروژن، بیش‌تر در انفجار‌های ابرنواخ‌تری شکل می‌گیرد و احتمالا در سحاب گاز و غباری که منظومه شمسی را شکل داد، وجود داشته است. این امر نشان می‌دهد آب زمین ریشه در همان مواد اولیه منظومه شمسی دارد.
سیارک‌ها
مطالعات ژئوشیمیایی متعدد نشان می‌دهند سیارک‌ها محتمل‌ترین منبع اولیه آب در زمین هستند. کندریت‌های کربنی که قدیمی‌ترین شهاب‌سنگ‌های منظومه شمسی محسوب می‌شوند، مقادیر ایزوتوپی مشابه آب اقیانوس‌های زمین دارند. در برخی گونه‌های کندریت، سطوح ایزوتوپی هیدروژن و نیتروژن کاملا با آب دریا‌های زمین تطابق دارد که نشان می‌دهد این اجرام منبع آب زمین بوده‌اند. علاوه بر این، مطالعه ساختار سیارک‌ها نشان می‌دهد عمده آب زمین از اتم‌های هیدروژن حمل‌شده توسط ذرات باد خورشیدی است که با اکسیژن موجود در سیارک‌ها ترکیب شده و آب را شکل داده‌اند.
دنبالهدارها
دنبالهدارها اجرام چند کیلوم‌تری از غبار و یخ با مدار‌های بیضی هستند که به لایه‌های درونی منظومه شمسی می‌رسند. وجود یخ و نوع مدار آن‌ها، آن‌ها را به کاندید‌های مناسب برای تبیین آب زمین تبدیل می‌کند. اندازه‌گیری نسبت دوتریوم به هیدروژن در دنبالهدارها نشان داده که آب اقیانوس‌های زمین تنها از دنبالهدارها نشأت نگرفته است. تخمین‌ها نشان می‌دهد حدود ۱۰ درصد آب زمین توسط دنبالهدارها تأمین شده است.
جمع‌بندی
در این مقاله منشأ آب کره زمین مورد بررسی قرار گرفت. نظریه‌های مختلفی وجود دارد که توضیح می‌دهند آب در زمین چگونه شکل گرفته است. آیا آب به زمین آورده شده یا شرایط زمین باعث شکل‌گیری تدریجی مولکول‌های آب شده است؟ دانشمندان با استفاده از اندازه‌گیری عناصر و شبیه‌سازی دینامیکی منظومه شمسی، به دنبال پاسخ هستند. اگرچه پاسخ قطعی هنوز موجود نیست، اما دانشمندان معتقدند مجموعه‌ای از رخداد‌ها باعث شده زمین امروزی مملو از آب باشد.
آب زمین از کجا آمده است؟ دانشمندان فرضیه‌های مختلفی را مطرح می‌کنند. باور بر این است که در ابتدای شکل‌گیری زمین، سیارک‌های یخی حاوی آب تحت تأثیر گرانش با زمین ترکیب شده‌اند. شهاب‌سنگ‌ها و اجرام دیگر نیز محتملا با برخورد با زمین، آب را به سیاره ما آورده‌اند.
آیا آب از ابتدا در زمین وجود داشته است؟ دانشمندان به دلیل دمای بالای زمین در زمان شکل‌گیری، احتمال وجود آب از ابتدا را کم می‌دانند، زیرا آب تبخیر می‌شد. با این حال، برخی معتقدند آب به صورت بخار در سحاب پیش‌سیاره‌ای وجود داشته و زمین از ابتدا حاوی آب بوده است. قطعا تا کنون پاسخی قطعی برای این سوال وجود ندارد.
