Skąd się wzięły ziemskie oceany?

Bez wody nie byłoby życia na Ziemi. Wydaje się nawet, że woda jest jednym z koniecznych składników do podtrzymywania życia gdziekolwiek we Wszechświecie. Skąd jednak woda wzięła się na Ziemi? Jak dotąd nie dano jasnej odpowiedzi.

Do tej pory uważano, że woda została przyniesiona na Ziemię w postaci tzw. suchego lodu towarzyszącego kometom na etapie wczesnego formowania się Układu Słonecznego. Ten etap nazywa się etapem wielkiego bombardowania, bowiem dochodziło wtedy do masowych kolizji różnych obiektów w świeżo utworzonym dysku protoplanetarnym. W efekcie kolizji z pyłu, poprzez planetzymale i protoplanety, powstały obecne planety, a liczba kolizji systematycznie malała. Pozostałością etapu tworzenia się planet w Układzie Słonecznym jest pas asteroid pomiędzy Marsem a Jowiszem, oraz tzw. pas Kuipera na zewnątrz Układu Słonecznego. Te pasy wciąż dostarczają niewielkich obiektów, które krążą pomiędzy planetami od czasu do czasu zderzając się z nimi.
Ta koncepcja pojawienia się wody na Ziemi była jednak czysto teoretyczna. Szukano dowodów, a najlepszym dowodem potwierdzającym tezę, jest obserwacja na żywo, stąd też poszukiwano na niebie obiektów przypominających nasz młody Układ Słoneczny. Uwagę swą skierowano na gwiazdy typu pomarańczonych karłów, ze względu na ich stabilność, sprawiającą, że tzw. eko-strefa wokół nich pozostaje niezmienna przez wiele milionów lat, poza tym są 10x częściej spotykane od Słónca.
Jednym z takich pomarańczowych karłów jest TW Hydrae (z gwiazdozbioru Hydry) oddalony od nas o 176 lat świetlnych. Ostatnie obserwacje pokazują, że wokół TW Hydrae występuje dysk protoplanetarny, z którego wyparowywuje woda.


Obserwacje prowadzone były z przez teleskop Kosmicznego Obserwatorium Herschela wyniesiony na orbitę przez Europejską Agencję Kosmiczną do prowadzenia obserwacji w zakresie dalekiej podczerwieni.
Teleskop ten zaobserwował w pobliżu TW Hydrae linie emisyjne odpowiadające parującej wodzie, i to w obu postaciach izomerowych wodoru, orto- i parawodoru, które wchodzą w skład cząsteczki wody. Ortowodór posiada oba protony o spinie skierowanym w tym samym kierunku, zaś parawodór protony o spinie skierowanym przeciwnie. W tzw. normalnych ziemskich warunkach, 3/4 wodoru to ortowodór.
Woda pochodzi z dysku planetarnego krążącego wokół pomarańczowego karła. Oszacowano, że ilość wody zawartej w dysku odpowiada masie kilkunastu tysięcy zasobów ziemskich oceanów.
Porównano również udział ortowody do parawody w stosunku do komet z Układu Słonecznego i okazało się, że w pobliżu TW Hydrae jest on znacznie niższy. Świadczyć to może o tym, że komety zbierają zróżnicowaną wodę w wewnętrznych częściach pierścienia protoplanetarnego w początkowej fazie tworzenia się układów planetarnych.

Uderzenie komety w protoplanetę w młodym układzie planetarnym - wizja artysty (NASA/JPL-Caltech)

Występowanie wody w wewnętrznych częściach dysku związane jest też z temperaturą. Musi być ona odpowiednia, aby woda mogła występować w stanie ciekłym lub pary wodnej. Szacuje się, że powyżej 3 jednostek astronomicznych (1 jednostka to odległość Ziemi od Słońca), woda występowuje tylko jako lód, stanowiąc rezerwuar wody dla planet położonych bliżej Słońca. W przypadku naszego Układu, może to być Pas Kuipera. W wewnętrznych częściach dysku, przy temperaturze powyżej 250 st. Kelvina (czyli powyżej -23 st C) sublimacja lodu do pary wodnej wiąże tlen w cząsteczkach wody.
Obserwacje TW Hydrae potwierdzone zostały niedawno przez teleskop Spitzera NASA, który zanotował deszcz komet wokół gwiazdy Eta Corvi, które uderzyły w skalną planetę. Z analizy widma wynika, że występują tam nanodiamenty, które tworzą się przy udziale węgla organicznego. Obserwacje te pokazują jak mógły wyglądać początki istnienia Układu Słonecznego.

Zatem woda na Ziemi pochodzi z nieba! A konkretnie, z początkowych etapów tworzenia się dysku protoplanetarnego z krążącej wokół młodej gwiazdy mgławicy pyłu.


Źródła:
1. Hogerheijde, M., Bergin, E., Brinch, C., Cleeves, L., Fogel, J., Blake, G., Dominik, C., Lis, D., Melnick, G., Neufeld, D., Panic, O., Pearson, J., Kristensen, L., Yildiz, U., & van Dishoeck, E. (2011). Detection of the Water Reservoir in a Forming Planetary System Science, 334 (6054), 338-340 DOI: 10.1126/science.1208931
2. NASA's Spitzer Detects Comet Storm in Nearby Solar System http://www.jpl.nasa.gov/news/news.cfm?release=2011-322
3. TW Hydrae http://en.wikipedia.org/wiki/TW_Hydrae
4. Fot. w nagłówku: Kometa 17P/Holmes. Autor: Ivan Eder Wikimedia Commons 

Posted in: archaik,astronomia,układ słoneczny,woda,Ziemia