Woda stanowi 71% powierzchni Ziemi, ale nikt nie wie, jak i kiedy tak ogromne ilości wody dotarły na Ziemię.
Nowe badanie opublikowane w czasopiśmie Nature przybliża naukowców o krok do odpowiedzi na to pytanie. Pod kierunkiem profesora geologii Megan Newcombe z University of Maryland naukowcy przeanalizowali stopione meteoryty, które krążyły w kosmosie od czasu powstania Układu Słonecznego 4,5 miliarda lat temu. Odkryli, że te meteoryty miały wyjątkowo niską zawartość wody – w rzeczywistości były jednymi z najbardziej suchych materiałów pozaziemskich, jakie kiedykolwiek zmierzono.
Wyniki te, które pozwoliły naukowcom wykluczyć je jako główne źródło wody na Ziemi, mogą mieć ważne implikacje dla poszukiwań wody – i życia – na innych planetach. Pomaga także naukowcom zrozumieć mało prawdopodobne warunki, które sprawiły, że Ziemia stała się planetą nadającą się do zamieszkania.
„Chcieliśmy zrozumieć, w jaki sposób naszej planecie udało się zdobyć wodę, ponieważ nie jest to całkowicie oczywiste” – powiedział Newcombe. „Zdobycie wody i posiadanie oceanów powierzchniowych na planecie, która jest mała i stosunkowo blisko Słońca, jest wyzwaniem”.
Zespół naukowców przeanalizował siedem stopionych lub achondrytowych meteorytów, które uderzyły w Ziemię miliardy lat po odłamaniu się od co najmniej pięciu planetozymali – obiektów, które zderzyły się, tworząc planety w naszym Układzie Słonecznym. W procesie znanym jako topnienie wiele z tych planetozymali zostało ogrzanych w wyniku rozpadu pierwiastków radioaktywnych we wczesnej historii Układu Słonecznego, powodując ich rozdzielenie na warstwy ze skorupą, płaszczem i jądrem.
Ponieważ te meteoryty spadły na Ziemię dopiero niedawno, ten eksperyment był pierwszym, w którym ktokolwiek zmierzył ich substancje lotne. Absolwent geologii UMD, Liam Peterson, użył mikrosondy elektronowej do pomiaru poziomu magnezu, żelaza, wapnia i krzemu, a następnie dołączył do Newcombe w Carnegie Institution for Science’s Earth and Planets Laboratory, aby zmierzyć zawartość wody za pomocą wtórnego przyrządu do spektrometrii masowej jonów.
„Wyzwanie związane z analizą wody w ekstremalnie suchych materiałach polega na tym, że każda woda ziemna na powierzchni próbki lub wewnątrz przyrządu pomiarowego może być łatwo wykryta, co zanieczyszcza wyniki” – powiedział współautor badania, Conel Alexander, naukowiec z Carnegie Institution for Science .
Aby zmniejszyć zanieczyszczenie, naukowcy najpierw upiekli swoje próbki w niskotemperaturowym piecu próżniowym, aby usunąć wszelką wodę powierzchniową. Zanim próbki mogły być analizowane w spektrometrze mas jonów wtórnych, próbki musiały zostać ponownie wysuszone.
„Musiałem zostawić próbki pod turbo pompą – naprawdę wysokiej jakości próżnią – na ponad miesiąc, aby wystarczająco pociągnąć wodę z ziemi” – powiedział Newcombe.
Niektóre z ich próbek meteorytów pochodziły z wewnętrznego Układu Słonecznego, gdzie znajduje się Ziemia i gdzie ogólnie przyjmuje się, że warunki były ciepłe i suche. Inne rzadsze próbki pochodziły z zimniejszych, bardziej lodowych zewnętrznych krańców naszego układu planetarnego. Chociaż powszechnie uważano, że woda przybyła na Ziemię z zewnętrznych części Układu Słonecznego, nie ustalono jeszcze, jakie typy obiektów mogły przenosić tę wodę przez Układ Słoneczny.
„Wiedzieliśmy, że wiele zewnętrznych obiektów Układu Słonecznego jest zróżnicowanych, ale w pewnym sensie zakładano, że ponieważ pochodzą one z zewnętrznego Układu Słonecznego, muszą również zawierać dużo wody” – powiedział Sune Nielsen, współautor badania i geolog w Woods Hole Oceanographic Institution. „Nasz artykuł pokazuje, że zdecydowanie tak nie jest. Gdy tylko meteoryty topią się, nie ma już wody”.
Po przeanalizowaniu próbek meteorytu achondrytowego naukowcy odkryli, że woda stanowiła mniej niż dwie milionowe części ich masy. Dla porównania, najbardziej mokre meteoryty – grupa zwana chondrytami węglowymi – zawierają do około 20% wagowych wody, czyli 100 000 razy więcej niż próbki meteorytów badane przez Newcombe i jej współautorów.
Oznacza to, że ogrzewanie i topnienie planetozymali prowadzi do niemal całkowitej utraty wody, niezależnie od tego, gdzie te planetozymale powstały w Układzie Słonecznym iz jaką ilością wody zaczęły. Newcombe i jej współautorzy odkryli, że wbrew powszechnemu przekonaniu nie wszystkie zewnętrzne obiekty Układu Słonecznego są bogate w wodę. To doprowadziło ich do wniosku, że woda prawdopodobnie została dostarczona na Ziemię przez niestopione lub chondrytowe meteoryty.
Newcombe powiedział, że ich odkrycia mają zastosowanie poza geologią. Naukowcy z wielu dyscyplin – a zwłaszcza badacze egzoplanet – są zainteresowani pochodzeniem wody na Ziemi ze względu na jej głębokie powiązania z życiem.
„Wateris jest uważany za składnik niezbędny do rozkwitu życia, więc gdy patrzymy we wszechświat i znajdujemy wszystkie te egzoplanety, zaczynamy zastanawiać się, który z tych układów planetarnych może być potencjalnym gospodarzem dla życia – powiedział Newcombe. „Aby móc zrozumieć te inne układy słoneczne, chcemy zrozumieć nasz własny”.