We hebben kometen en asteroïden te danken aan het water van de aarde, volgens de meest gangbare theorie onder wetenschappers. Maar zo geknipt is het niet. Het is nog steeds een beetje een mysterie, en een nieuwe studie suggereert dat niet al het water van de aarde op die manier aan onze planeet werd geleverd.
Waterstof is het meest voorkomende element in het universum en staat centraal in de vraag rond het water van de aarde. Deze nieuwe studie werd mede geleid door Peter Buseck, hoogleraar Regenten aan de School of Earth and Space Exploration en School of Molecular Sciences aan de Arizona State University. Daarin suggereren de auteurs dat de waterstof, althans gedeeltelijk, afkomstig was van de zonnenevel, een wolk van gas en stof die overblijft nadat de zon zich heeft gevormd.
Voordat we ingaan op de details in deze nieuwe studie, is het handig om te kijken naar de lang bestaande theorie die deze kan vervangen.
Lange tijd geloofden de meeste wetenschappers dat de water-van-kometen- en asteroïdenversie van de oorsprong van water hier op aarde is. Het begint allemaal met de vorming van de zon.
Toen de zon uit een moleculaire wolk vormde, veegde hij het meeste materiaal in de wolk omhoog en liet een beetje over voor al het andere: planeten, asteroïden en kometen. Toen de zon eenmaal met fusie tot leven kwam, stuurde een krachtige zonnewind veel waterstof uit de buitenste lagen naar buiten, waar de binnenste rotsachtige planeten - Mercurius, Venus, aarde en Mars - vandaag zijn.
Dit is het rijk van de gasreuzen, en nog belangrijker, kometen en asteroïden. Kometen zijn ijzige, rotsachtige lichamen waarvan wordt aangenomen dat ze aanzienlijke hoeveelheden waterstof bevatten die daar door de vroege zon zijn uitgeblazen, en ook asteroïden, zij het in mindere mate. Ze werden een belangrijk reservoir voor waterstof.
Toen de aarde zich vormde, was het een gesmolten bal, waarvan het oppervlak in die toestand werd gehouden door herhaalde botsingen met asteroïden. Tot dusverre zo goed, aangezien het vroege zonnestelsel een veel chaotischer plek was dan nu. Toen asteroïden en kometen deze hete aarde troffen, werden het water en de waterstof erin de ruimte in gekookt. Naarmate de aarde na verloop van tijd afkoelde, mocht water van botsingen met komeet en asteroïde op aarde condenseren en niet in de ruimte worden gekookt. Het water bleef hangen.
Het bewijs hiervoor ligt in isotopenverhoudingen. De verhouding tussen het zware waterstofisotoop deuterium en normale waterstof is een chemische handtekening. Twee waterlichamen met dezelfde verhouding moeten dezelfde oorsprong hebben, gaat het denken. En de oceanen van de aarde hebben dezelfde verhouding als water op asteroïden.
Dat is een zeer vereenvoudigde versie van de algemeen aanvaarde theorie over hoe water naar de aarde is gekomen.
Maar wetenschappers zijn ontevreden en proberen altijd een beter en grondiger begrip van de dingen te hebben. Ze twijfelden aan de theorie van "water uit kometen" voordat deze nieuwste studie uitkwam.
In 2014 bestudeerden sommige wetenschappers de kwestie door te kijken naar meteorieten van verschillende leeftijden. (Meteorieten zijn slechts asteroïden die de aarde hebben geraakt.) Eerst keken ze naar wat bekend staat als 'koolstofhoudende chondriet meteorieten'. Ze zijn de oudste die we kennen en ze vormden ongeveer dezelfde tijd als de zon. Ze zijn de belangrijkste bouwstenen van de aarde.
Vervolgens bestudeerden ze meteorieten waarvan we denken dat ze afkomstig zijn van de grote asteroïde Vesta. Vesta ontstond in dezelfde regio als de aarde, ongeveer 14 miljoen jaar na de geboorte van het zonnestelsel. Volgens deze studie uit 2014 leken de oude meteorieten op de massa van het zonnestelsel en bevatten ze veel water, dus ze worden algemeen beschouwd als de bron van het water op aarde.
De metingen in deze studie uit 2014 toonden aan dat deze meteorieten dezelfde chemie hebben als de koolstofhoudende chondrieten en rotsen op aarde. Ze concludeerden dat koolstofhoudende chondrieten de meest waarschijnlijke waterbron zijn. Horst Marschall, een van de auteurs van de studie, zei destijds: 'De studie toont aan dat het water van de aarde hoogstwaarschijnlijk tegelijkertijd met de rots is geaccumuleerd. De planeet is gevormd als een natte planeet met water aan de oppervlakte. ' Het team achter dat onderzoek erkende dat een deel van ons water afkomstig was van schokken.
Dat brengt ons bij deze nieuwe studie, die de conclusies van de studie uit 2014 versterkt.
De auteurs van deze nieuwe studie zeggen dat de oceanen en hun isotoopverhoudingen mogelijk niet het hele verhaal vertellen. "Het is een beetje een blinde vlek in de gemeenschap", zegt Steven Desch, professor astrofysica aan de School of Earth and Space Exploration aan de Arizona State University in Tempe, Arizona. "Wanneer mensen de [deuterium-tot-waterstof] -verhouding in oceaanwater meten en ze zien dat het vrij dicht in de buurt komt van wat we in asteroïden zien, was het altijd gemakkelijk te geloven dat het allemaal van asteroïden kwam." Het is moeilijk om ze de schuld te geven; het is een behoorlijk overtuigend bewijs.
"Het is een beetje een blinde vlek in de gemeenschap." - Steven Desch, School of Earth and Space Exploration, ASU.
Desch en de andere auteurs van deze nieuwe studie wijzen op onderzoek dat in 2015 werd gepubliceerd en dat aantoont dat de oceanen van de aarde mogelijk niet representatief zijn voor het oerwater van de aarde. De oceanen zijn mogelijk gefietst tussen het oppervlak en een dieper waterreservoir, diep in de aarde. Dit kan in de loop van de tijd de verhouding hebben veranderd, en het kan betekenen dat dit diepere water ten minste een deel van het ware oerwater van de aarde vertegenwoordigt. En dat water kan rechtstreeks uit de zonnevel komen, in plaats van door komeet- en asteroïde-inslagen.
De studie ontwikkelt een nieuw theoretisch model van de vorming van de aarde om deze verschillen tussen waterstof in de oceanen van de aarde en aan de grens van de mantel van de kern te verklaren.
Dit nieuwe model toont grote met water gelogde asteroïden die miljarden jaren geleden in planeten zijn gevormd in de zonnevel die rond de zon wervelt. Deze planetaire embryo's liepen opeenvolgend tegen elkaar aan en groeiden snel. Uiteindelijk, zeggen ze, smolt een botsing die krachtig genoeg was het oppervlak van het grootste embryo in een oceaan van magma. Dit grootste embryo werd de aarde.
Dit grote embryo had voldoende zwaartekracht om een atmosfeer vast te houden en het trok gassen, waaronder waterstof, de meest voorkomende, uit de zonnevel aan om er een te vormen. De waterstof in de zonnevel bevat minder deuterium en is lichter dan asteroïde waterstof. Het loste op in het gesmolten ijzer van de magma-oceaan op aarde.
De waterstof werd naar het midden van de aarde getrokken door een proces dat isotopische fractionering wordt genoemd. Waterstof wordt aangetrokken door ijzer en werd door het ijzer aan de kern van de aarde afgegeven. Deuterium, de zware waterstofisotoop, bleef achter in het magma, dat afkoelde om de aardmantel te vormen. Voortdurende inslagen brachten meer water en massa naar de aarde, totdat het de massa bereikte die het nu is.
Het belangrijkste punt in dit nieuwe model is dat waterstof in de aardkern anders is dan waterstof in de mantel en in de oceanen. Kernwater heeft veel minder deuterium. Maar wat betekent het allemaal?
Met het nieuwe model konden de auteurs de hoeveelheden water schatten die afkomstig waren van asteroïde-inslagen terwijl de aarde groeide en evolueerde, vergeleken met hoeveel er afkomstig was van de zonnenevel toen de aarde werd gevormd. Hun conclusie? "Voor elke 100 moleculen van het water van de aarde zijn er een of twee afkomstig van een zonnevel," zegt Jun Wu, assistent-onderzoeksprofessor aan de School of Molecular Sciences en School of Earth and Space Exploration aan de Arizona State University en co-hoofdauteur van de studie.
Deze studie is een nieuw perspectief op planetaire vorming, ontwikkeling en hoe het vroege leven zou kunnen gedijen op een jonge planeet.
“Dit model suggereert dat de onvermijdelijke vorming van water waarschijnlijk zal plaatsvinden op voldoende grote rotsachtige exoplaneten in extrasolaire systemen. Ik vind dit heel spannend. ' - Jun Wu, School of Molecular Sciences en School of Earth and Space Exploration at ASU, co-lead auteur.
Eerder dachten we dat de enige planeten die er leven op zouden kunnen hebben, zich in een zonnestelsel zouden moeten bevinden dat rijk is aan watervoerende asteroïden en kometen. Maar dat is misschien niet het geval. In andere zonnestelsels hebben niet alle aardachtige planeten toegang tot met water beladen asteroïden. De nieuwe studie suggereert dat alle bewoonbare exoplaneten mogelijk water hebben gekregen van de zonnevel in hun systeem. De aarde verbergt het grootste deel van haar water in haar interieur. De aarde heeft ongeveer twee oceaan in haar mantel en 4 of 5 in haar kern. Exoplaneten kunnen vergelijkbaar zijn.
"Dit model suggereert dat de onvermijdelijke vorming van water waarschijnlijk zal plaatsvinden op voldoende grote rotsachtige exoplaneten in extrasolaire systemen," zei Wu. 'Ik vind dit heel spannend.'
Er is echter een waarschuwend punt in dit nieuwe model, namelijk de fractionering van waterstof. Het is niet goed begrepen hoe de verhouding tussen deuterium en waterstof verandert wanneer het element oplost in ijzer, wat centraal staat in dit nieuwe model. Het moest in deze nieuwe studie worden geschat.
Over het algemeen past de nieuwe studie goed bij ander onderzoek naar het water van de aarde. Zodra er meer werk is gedaan aan de fractionering van waterstof, kan het nieuwe model strenger worden getest.
- AGU Press Release: "Wetenschappers theoretiseren nieuw oorsprongsverhaal voor het water van de aarde"
- Onderzoeksartikel: "Oorsprong van aardwater: chondritische overerving plus nevelvergassing en opslag van waterstof in de kern"
- Onderzoeksartikel: "Bewijs voor oerwater in de diepe mantel van de aarde"
- Onderzoekspaper: "Vroege aangroei van water in het binnenste zonnestelsel uit een koolstofhoudende chondrietachtige bron"
- Wikipedia: vorming en evolutie van het zonnestelsel
- Wikipedia: 4 Vesta
