Waar komt de wereldwijde oceaan van de aarde vandaan? Een team van geowetenschappers van de Arizona State University onder leiding van Peter Buseck, Regents' Professor in ASU's School of Earth and Space Exploration (SESE) en School of Molecular Sciences, heeft een antwoord gevonden in een voorheen verwaarloosde bron. Het team heeft ook ontdekt dat onze planeet aanzienlijk meer waterstof bevat, een proxy voor water, dan wetenschappers eerder dachten.

Dus waar is het? Meestal in de kern van onze planeet, maar daarover straks meer. De grotere vraag is waar dit alles in de eerste plaats vandaan kwam.

"Kometen bevatten veel ijs, en had in theorie wat water kunnen leveren, " zegt Steven Desch, hoogleraar astrofysica in SESE en een van de teamwetenschappers. asteroïden, hij voegt toe, zijn ook een bron niet zo waterrijk maar toch overvloedig.

"Maar er is een andere manier om na te denken over waterbronnen in de begindagen van het zonnestelsel, Desch legt uit. "Omdat water waterstof plus zuurstof is, en zuurstof is overvloedig, elke bron van waterstof had kunnen dienen als de oorsprong van het water op aarde."

In het begin

Waterstofgas was het belangrijkste ingrediënt in de zonnenevel - de gassen en stof waaruit de zon en planeten zijn gevormd. Als de overvloedige waterstof in de nevel zou kunnen combineren met het rotsachtige materiaal van de aarde terwijl het zich vormde, dat zou de ultieme oorsprong kunnen zijn van de mondiale oceaan van de aarde.

juni Wu, de hoofdauteur van het artikel dat het team heeft gepubliceerd in de Tijdschrift voor Geofysisch Onderzoek , is assistent-onderzoeksprofessor in zowel SESE als de School of Molecular Sciences. Hij zegt, "De zonnenevel heeft de minste aandacht gekregen van de bestaande theorieën, hoewel het het belangrijkste reservoir van waterstof was in ons vroege zonnestelsel."

Maar eerst, wat geochemisch speurwerk.

Om onderscheid te maken tussen bronnen van water, wetenschappers wenden zich tot isotopenchemie, het meten van de verhouding tussen twee soorten waterstof. Bijna alle waterstofatomen hebben een kern die uit een enkel proton bestaat. Maar in ongeveer één op de zeven, 000 waterstofatomen, de kern heeft naast het proton een neutron. Deze isotoop wordt "zware waterstof, " of deuterium, gesymboliseerd als D.

De verhouding van het aantal D-atomen tot gewone H-atomen wordt de D/H-verhouding genoemd, en het dient als een vingerafdruk voor waar die waterstof vandaan kwam. Bijvoorbeeld, asteroïde water heeft een D/H van ongeveer 140 delen per miljoen (ppm), terwijl kometenwater hoger loopt, variërend van 150 ppm tot wel 300 ppm.

Wetenschappers weten dat de aarde één mondiale oceaan van water aan het oppervlak heeft en nog ongeveer twee oceanen van water opgelost in de mantelgesteenten. Dat water heeft een D/H-verhouding van ongeveer 150 ppm, een asteroïde bron een goede match maken.

Kometen? Met hun hogere D/H-verhoudingen, kometen zijn meestal geen goede bronnen. En wat nog erger is, de D/H van waterstofgas in de zonnenevel was slechts 21 ppm, veel te laag om grote hoeveelheden water op aarde te leveren. In feite, asteroïde materiaal is zo'n goede match dat eerdere onderzoekers de andere bronnen buiten beschouwing hebben gelaten.

Maar, zeggen Wu en collega's, andere factoren en processen hebben de D/H van waterstof op aarde veranderd, beginnend toen de planeet zich voor het eerst begon te vormen. Wu zegt, "Dit betekent dat we het opgeloste gas van de zonnenevel niet mogen negeren."

waterstof concentreren

De sleutel ligt in een proces dat natuurkunde en geochemie combineert, waarvan het team ontdekte dat het waterstof in de kern concentreerde en tegelijkertijd de relatieve hoeveelheid deuterium in de aardmantel verhoogde.

Het proces begon vrij vroeg toen de planeten van de zon zich begonnen te vormen en groeien door de samensmelting van primitieve bouwstenen, planetaire embryo's genaamd. Deze objecten ter grootte van maan tot Mars groeiden heel snel in het vroege zonnestelsel, botsen en aangroeiend materiaal uit de zonnenevel.

Binnen de embryo's, rottende radioactieve elementen gesmolten ijzer, die asteroïde waterstof greep en zonk om een ​​kern te vormen. Het grootste embryo ervoer botsingsenergie die het hele oppervlak smolt, het maken van wat wetenschappers een magma-oceaan noemen. Gesmolten ijzer in het magma rukte waterstof uit de zich ontwikkelende primitieve atmosfeer, die is afgeleid van de zonnenevel. Het ijzer droeg deze waterstof, samen met waterstof uit andere bronnen, naar beneden in de mantel van het embryo. Uiteindelijk werd de waterstof geconcentreerd in de kern van het embryo.

Ondertussen was er een ander belangrijk proces gaande tussen gesmolten ijzer en waterstof. Deuteriumatomen (D) houden niet zo van ijzer als hun H-tegenhangers, waardoor een lichte verrijking van H in het gesmolten ijzer ontstaat en relatief meer D in het magma achterblijft. Op deze manier, de kern ontwikkelde geleidelijk een lagere D/H-verhouding dan de silicaatmantel, die ontstond nadat de magma-oceaan was afgekoeld.

Dit alles was fase één.

Fase twee volgde toen embryo's botsten en samensmolten om de proto-aarde te worden. Opnieuw ontwikkelde zich een magma-oceaan aan het oppervlak, en nog een keer, overgebleven ijzer en waterstof hebben mogelijk vergelijkbare processen ondergaan als in fase één, waarmee de levering van de twee elementen aan de kern van de proto-aarde wordt voltooid.

Wu voegt eraan toe, "Naast de waterstof die de embryo's hebben gevangen, we verwachten dat ze ook wat koolstof hebben gevangen, stikstof, en edelgassen uit de vroege zonnenevel. Deze zouden wat isotoopsporen moeten achterlaten in de chemie van de diepste gesteenten, waar we naar kunnen zoeken."

Het team heeft het proces gemodelleerd en de voorspellingen vergeleken met monsters van mantelgesteenten, die tegenwoordig zeldzaam zijn op het aardoppervlak.

"We hebben berekend hoeveel waterstof opgelost in de mantels van deze lichamen in hun kernen zou kunnen zijn terechtgekomen, "zegt Desch. "Vervolgens vergeleken we dit met recente metingen van de D/H-verhouding in monsters van de diepe aardmantel." Hierdoor kon het team limieten stellen aan de hoeveelheid waterstof in de kern en de mantel van de aarde.

"Het eindresultaat, " zegt Desch, "is dat de aarde waarschijnlijk is gevormd met waterstof ter waarde van zeven of acht oceanen wereldwijd. Het grootste deel hiervan kwam inderdaad uit asteroïde bronnen, maar een paar tienden van de waterstof van een oceaan kwamen van het zonnenevelgas."

Het optellen van de hoeveelheden die op verschillende plaatsen in de cache zijn opgeslagen, Wu zegt, "Onze planeet verbergt het grootste deel van zijn waterstof binnenin, met ongeveer twee wereldwijde oceanen in de mantel, vier tot vijf in de kern, en uiteraard, één mondiale oceaan aan de oppervlakte."

Niet alleen voor ons zonnestelsel

De nieuwe vondst, zegt het team, past netjes in de huidige theorieën over hoe de zon en planeten zijn ontstaan. Het heeft ook gevolgen voor bewoonbare planeten buiten het zonnestelsel. Astronomen hebben meer dan 3 ontdekt, 800 planeten in een baan om andere sterren, en veel lijken rotsachtige lichamen te zijn die niet veel verschillen van de onze.

Veel van deze exoplaneten zijn mogelijk ver verwijderd van de zones waar waterrijke asteroïden en andere bouwstenen zijn ontstaan. Toch hadden ze nog steeds waterstofgas uit de zonnenevels van hun eigen sterren kunnen verzamelen op de manier waarop de aarde dat deed.

Het team besluit, "Onze resultaten suggereren dat het vormen van water waarschijnlijk onvermijdelijk is op voldoende grote rotsachtige planeten in extrasolaire systemen."