حیات بشر به طور کامل به آب وابسته است. حدود ۷۱ درصد سطح سیاره ما توسط آب پوشش داده شده است. بدن نوزادان از نزدیک به ۷۸ درصد آب و بدن بزرگسالان از حدود ۶۰ درصد آب تشکیل شده است. انسان‌ها نمی‌توانند بیش از چند روز بدون آب زنده بمانند. 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 کمک‌کننده باشد.
منشأ آب در کره زمین
منشأ آب در کره زمین موضوعی است که نتایج تحقیقات در علوم سیاره‌ای، نجوم و اخترزیست‌شناسی را در بر می‌گیرد. زمین به دلیل داشتن اقیانوس‌های آب مایع، در میان سیارات سنگی منظومه شمسی بی‌نظیر است. آب مایع که برای تمام اشکال شناخته‌شده حیات ضروری است، به راحتی در زمین یافت می‌شود؛ زیرا این سیاره در فاصله‌ای از خورشید قرار دارد که از یک سو از تبخیر کامل آب جلوگیری می‌کند و از سوی دیگر آن‌قدر دور نیست که آب یخ بزند و حیات منجمد شود.
نظریه‌های متعددی در مورد چگونگی پیدایش آب در کره زمین وجود دارد که بیش‌تر آن‌ها به دو دسته تقسیم می‌شوند یا زمین با پیش‌ساز‌های مولکولی آب متولد شده است، یا سنگ‌های فضایی غنی از آب مانند سیارک‌ها و دنبالهدارها پس از شکل‌گیری زمین، آب را به این سیاره آورده‌اند. بسیاری از این نظریه‌ها با هم سازگارند و زمین می‌تواند آب خود را از منابع گوناگون دریافت کرده باشد. دانشمدان به طور مداوم 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، این واقعیت است که آب به طور مداوم در فضا از دست می‌رود. مولکول‌های آب در جو تجزیه می‌شوند و اتم‌های هیدروژن آزاد شده گاهی از کشش گرانشی زمین فرار می‌کنند. وقتی زمین جوان‌تر و کم‌جرم‌تر بود، آب به راحتی می‌توانست از گرانش زمین خارج شود. انتظار می‌رود عناصر سبک‌تر مانند هیدروژن و هلیوم مدام از جو نشت کنند، اما نسبت‌های ایزوتوپی گاز‌های سنگین‌تر در جو کنونی می‌تواند نشان‌دهنده مقدار آب از دست رفته در طول تاریخ باشد.
عناصر سنگین‌تر نیز در دوران جوانی زمین در معرض تلفات قابل‌توجه‌ی قرار داشتند. برای مثال، از عنصر زنون در محاسبات از دست رفتن آب طی زمان استفاده می‌شود. زنون به دلیل بودن گاز نجیب، از طریق واکنش‌های شیمیایی با عناصر دیگر در جو حذف نمی‌شود. مقایسه بین ۹ ایزوتوپ پایدار زنون در جو کنونی زمین نشان می‌دهد که زمین از ابتدای شکل‌گیری تا به امروز حجم آبی معادل یک اقیانوس را از دست داده است.
دانشمندان معتقدند هر‌گونه آب روی زمین در دوره‌ای که یک سیاره سنگی به اندازه مریخ با زمین برخورد کرد و منجر به شکل‌گیری ماه شد (نزدیک به ۴.۵ می‌لیارد سال پیش) از بین رفت. این برخورد احتمالا باعث تبخیر بخش زیادی از آب در پوسته و گوشته بالایی زمین شد و جوی متراکمی از بخار آب در اطراف سیاره ایجاد کرد. تخمین زده می‌شود نزدیک به ۲ هزار سال طول کشید تا این بخار متراکم شود و مواد فرار را رها کند که عمدتا شامل دی‌اکسید کربن، هیدروژن و بخار آب بوده است. پس از آن، با وجود دمای زمین نزدیک به ۲۳۰ درجه سانتی‌گراد، به دلیل افزایش فشار جوی دی‌اکسید کربن، اقیانوس‌های آب مایع شکل گرفتند.
شواهد زمین‌شناسی چارچوب زمانی برای آب مایع موجود در زمین را محدود می‌کنند. نمونه‌هایی از سنگ بازالتی بالشتی، نوع سنگی که در فوران‌های زیرآبینی شکل می‌گیرد، شواهدی ارائه می‌دهند که آب در ۳.۸ می‌لیارد سال پیش روی زمین وجود داشته است. مطالعه دیگری نیز نشان داده که آب در سنگ‌هایی با سن ۴.۲۸ می‌لیارد ساله وجود دارد که کهن‌ترین نمونه سنگ حاوی آب شناخته‌شده است. محتمل است اقیانوس‌ها سریع‌تر از این زمان در زمین وجود داشته باشند، اما شواهد زمین‌شناسی برای اثبات آن کشف نشده‌اند، احتمالا به دلیل فرا‌یند‌های زمینوشی مانند بازیافت پوسته زمین. محققان در پژوهشی دیگر گزارش دادند که آب کافی برای شکل‌گیری اقیانوس‌ها از ابتدای شکل‌گیری زمین وجود داشته است.
برخلاف سنگ‌ها، کانی‌هایی به نام زیرکن در برابر هوازدگی و فرا‌یند‌های زمینوشی بسیار مقاوم هستند و به همین دلیل برای درک شرایط زمین در دوران اولیه 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 تا حدی نشانه تناقض است، زیرا فرض بر این است که زمین در دوران اولیه داغ بوده و امکان وجود آب را از بین برده، در حالی که داده‌های زیرکن به سرد بودن اولیه اشاره می‌کنند.
با این حال، اگر این نظریه صحیح باشد، ثابت می‌شود که در آغاز شکل‌گیری زمین، به جای سطحی داغ و مذاب و جوی پر از دی‌اکسید کربن، سطح زمین بسیار شبیه به زمین امروزی (از نظر عایق حرارتی) بوده است. صفحات تکتونیک مقادیر زیادی دی‌اکسید کربن را به دام می‌اندازند و اثرات گلخانه‌ای را کاهش می‌دهند. همین امر باعث سرد شدن سطح زمین و تشکیل سنگ‌های جامد و آب مایع شده است.
چه مقدار آب در زمین وجود دارد؟
هرچند بیش‌تر سطح زمین توسط اقیانوس‌ها پوشش داده شده است، این اقیانوس‌ها تنها بخش کوچکی از جرم سیاره را تشکیل می‌دهند. جرم اقیانوس‌های زمین تنها ۰.۰۲۳ درصد جرم کل زمین است. تخمین زده می‌شود حدود ۱۰ به توان ۲۰ کیلوگرم آب نیز در دریاچه‌ها، رودخانه‌ها، آب‌های زیرزمینی و بخار آب جوی وجود داشته باشد. مقدار قابل‌توجه‌ی آب در پوسته، گوشته و هسته زمین نیز وجود دارد. اگرچه به دلیل نبود نمونه‌های مستقیم، تخمین آب موجود در گوشته دشوار است، اما تقریبا ۳ برابر جرم اقیانوس‌ها، آب می‌تواند در گوشته زمین ذخیره شده باشد. حتی هسته زمین می‌تواند ۴ تا ۵ برابر آب اقیانوس‌ها را در خود نگه داشته باشد.
آب در زمین از کجا آمده است؟
دانشمندان در پاسخ به این سوال، فرضیه‌های مختلفی را مطرح می‌کنند. در ادامه محتمل‌ترین آن‌ها را بررسی می‌کنیم.
آب کره زمین از منابع فرا‌سیاره‌ای تأمین شده است
آب دمای تراکم بسیار کمتری نسبت به سایر مواد سازنده سیارات مانند آهن و سیلیکات دارد. زمین در آغاز شکل‌گیری تنها یک پیش‌سیاره بوده و بسیار داغ بوده است. در این دوران امکان شکل‌گیری اقیانوس‌ها هم‌زمان با زمین وجود نداشته است. اما در فواصل دور‌تر از خورشید، آب می‌تواند متراکم شده و سیارات کوچک یخی را شکل دهد. به همین دلیل ضروری است که اجرام فرا‌تر از مرزی که یخ‌بندی امکان‌پذیر است -مانند دنبالهدارها، اجرام فرا‌تر از نپتون و شهاب‌سنگ‌های غنی از آب- آب را به زمین برسانند. با این حال، زمان دقیق رسیدن آب به زمین همچنان سوالی باز است.
یک فرضیه ادعا می‌کند زمین نزدیک به ۴.۵ می‌لیارد سال پیش، وقتی که ۶۰ تا ۹۰ درصد اندازه فعلی خود را داشت، سیارات یخی کوچک را به سمت خود کشیده و با انباشتن آن‌ها در طول زمان رشد کرده است. در این سناریو، زمین می‌توانست در این فرا‌یند آب را به شکلی در خود نگه دارد. این فرضیه با شباهت بین نسبت ایزوتوپ آب در کهن‌ترین شهاب‌سنگ‌ها هم‌سو است، اما برای یافتن منشأ آب کافی نیست.
یکی از مشکلات این فرضیه این است که نسبت ایزوتوپ‌های گاز نجیب جو زمین با نسبت‌های گوشته آن متفاوت است که نشان می‌دهد آن‌ها از منابع مختلفی آمده‌اند. مدل‌های دینامیکی منظومه شمسی اولیه نشان می‌دهند اگر مشتری به خورشید نزدیک‌تر می‌شد، سیارک‌های یخی غنی از آب می‌توانستند به زمین نزدیک شوند.
آب در زمین از ابتدای شکل‌گیری منظومه شمسی وجود داشته است
نسبت‌های ایزوتوپی مانند اثرانگشت‌های شیمیایی بی‌نظیر هستند که برای مقایسه آب در زمین و سایر مناطق منظومه شمسی مفید خواهند بود. یکی از این نسبت‌های مهم، نسبت دوتریوم به هیدروژن است که به طور خاص در جستجوی منشأ آب روی زمین سودمند است. هیدروژن فرا‌وان‌ترین عنصر جهان است و ایزوتوپ سنگین‌تر آن (دوتریوم) گاهی می‌تواند به جای اتم هیدروژن در مولکول آب نقش ایفا کند. بیش‌تر دوتریوم در عالم در انفجار‌های ابرنواخ‌تری شکل می‌گیرد؛ به همین دلیل گمان می‌رود این مولکول در سراسر سحاب گاز و غباری که در نهایت منظومه شمسی را شکل داد، وجود داشته است. از این رو می‌توان گفت آب کره زمین ریشه در آن سحاب اولیه دارد.
سیارک‌ها
مطالعات ژئوشیمیایی متعدد به این نتیجه رسیده‌اند که سیارک‌ها به احتمال زیاد منبع اولیه آب در زمین هستند. کندریت‌های کربنی که زیرمجموعه‌ای از کهن‌ترین شهاب‌سنگ‌های منظومه شمسی هستند، مقادیر ایزوتوپی مشابه آب اقیانوس‌های زمین دارند. در برخی گونه‌های کندریت‌ها، به طور خاص مقادیری از نسبت‌های ایزوتوپی هیدروژن و نیتروژن یافت می‌شود که کاملا با آب دریا‌های زمین تطابق دارد. این امر مشخص می‌کند که به احتمال زیاد آب در این اجرام، منبع آب در زمین بوده است.
علاوه بر این، مطالعه ساختار سیارک‌ها نشان داده است که بخش عمده آب در زمین از اتم‌های هیدروژن حمل‌شده بر ذرات باد خورشیدی است که با اکسیژن موجود در سیارک‌ها ترکیب شده و به شکل آب در آمده‌اند.
دنبالهدارها
دنبالهدارها اجرامی با ابعاد چند کیلوم‌تری هستند که از غبار و یخ تشکیل شده‌اند و مدار‌های بیضی‌شکل دارند که آن‌ها را به لایه‌های درونی منظومه شمسی می‌آورد. وجود یخ در آن‌ها و نوع مداری که به نواحی درونی منظومه شمسی ختم می‌شود، آن‌ها را به کاندید‌های مناسبی برای تفسیر وجود آب در زمین تبدیل می‌کند.
اندازه‌گیری ایزوتوپی نسبت دوتریوم به هیدروژن در دنبالهدارها توسط دانشمندان نشان داده است که آب اقیانوس‌های زمین تنها از دنبالهدارها نشأت نگرفته است. دانشمندان با استفاده از این نسبت تخمین زده‌اند که نزدیک به ۱۰ درصد منابع آب در زمین را دنبالهدارها تأمین کرده‌اند.
جمع‌بندی
در این مقاله، منشأ آب کره زمین را مرور کردیم. نظریه‌های مختلفی وجود دارند که توضیح می‌دهند آب در زمین چگونه شکل گرفته است. آیا آب به طور خارجی به زمین آورده شده است یا شرایط در زمین به نحوی بوده که مولکول‌های آب به مرور شکل گرفته‌اند؟ دانشمندان برای پاسخ به این سوالات، از روش‌های مختلفی مانند اندازه‌گیری عناصر مختلف و شبیه‌سازی دینامیکی منظومه شمسی و شکل‌گیری زمین استفاده کرده‌اند. هرچند پاسخ قطعی این سوالات تا به امروز آشکار نیست، اما دانشمندان معتقدند مجموعه‌ای از رخداد‌ها باعث شده زمین امروزی پر از آب باشد.
