زمین آب را با خود به دنیا آورد؛ تحویل خارجی لازم نبود

آب، شریان حیاتی زیست‌کره است و بدون آن، زمین نیز صرفاً سیاره‌ای مرده بود. اگر زندگی روی زمین ملاکی قابل اعتماد باشد، پس می‌توان گفت که آب برای حیات، ضروری و غیرقابل‌چشم‌پوشی است.

به همین دلیل، دانشمندان همواره به این پرسش اساسی علاقه‌مند بوده‌اند: زمین چگونه به آب دست یافت؟

برای مدت طولانی، این فرضیه مطرح بود که آب زمین از جای دیگری در منظومه شمسی آمده است. دیسک پیش‌سیاره‌ای که سیارات در آن شکل گرفتند، جرمی عظیم داشت و به وسیله چیزی به نام خط برف (snowline) تقسیم شده بود؛ خطی در فاصله‌ای مشخص از خورشید که در آن، موادی مانند بخار آب می‌توانند متراکم شده و یخ بزنند.

بر اساس این دیدگاه، آب ابتدا یخ زده، سپس به زمین منتقل شده — از طریق سیارک‌ها، شهاب‌سنگ‌ها یا دنباله‌دارها. دنباله‌دارها به‌طور شناخته‌شده‌ای یخی هستند و شواهد روزافزونی نیز نشان می‌دهد که سیارک‌ها نیز دارای آب‌اند، چه به‌صورت یخ و چه درون ساختار کانی‌ها. این ایده به نام فرضیه پوسته‌ی نهایی (late veneer hypothesis) شناخته می‌شود که معتقد است آب پس از شکل‌گیری هسته زمین وارد آن شده است.

اما شواهد و شبیه‌سازی‌های جدید، این روایت را زیر سؤال برده‌اند. پژوهشی تازه که در نشریه‌ی Astrophysical Journal Letters منتشر شده، نشان می‌دهد که تصور ساده‌ی خط برف به‌عنوان مرزی روشن و مشخص، بازتاب دقیقی از واقعیت نیست.

این پژوهش با عنوان:
«آیا آب زمین در مراحل آغازین شکل‌گیری منظومه شمسی به‌صورت محلی به دست آمده است؟»
توسط پژوهشگر اصلی لیز بواتار-کِرپو از دانشگاه گرنوبل آلپ فرانسه انجام شده است.

به گفته نویسندگان، “اجماع کلی وجود دارد که مولکول‌های آب ابتدا روی دانه‌های ریز غبار در سحابی پیش‌ستاره‌ای شکل گرفتند و در پوششی یخی، روی این ذرات باقی ماندند.” با گذشت زمان، این دانه‌ها به سنگ، سیارک، دنباله‌دار و نهایتاً سیارات سنگی تبدیل شدند. اما با آغاز تابش خورشید، شرایط در دیسک خورشیدی تغییر کرد. مواد گرم‌تر شدند و بخار آب از سطح ذرات غبار، به سمت خط برف (جایی که آب می‌تواند متراکم شود) فرار کرد.

درون این خط، منطقه‌ای شکل گرفت که آب موجود در آن به‌تدریج تبخیر و پراکنده شد، و ماده باقی‌مانده نسبتاً خشک شد — همان جایی که زمین از آن شکل گرفت. به همین دلیل، فرض بر این بود که آب باید از بیرون این خط به زمین آمده باشد.

اما طبق نتایج جدید، خط برف یک مرز دقیق و ساده نیست. پژوهش‌هایی در حوزه شیمی کوانتومی نشان داده‌اند که آب در دماهای گوناگونی می‌تواند به ذرات غبار بچسبد و این اتصال، فقط در یک دمای خاص رخ نمی‌دهد. بنابراین به‌جای یک مرز مشخص، طیفی از انرژی‌های اتصال وجود دارد — یعنی مرزی تدریجی، نه ناگهانی.

نویسندگان می‌نویسند:

«درحالی‌که مدل کلاسیک از خط برف بر یک دمای مشخص برای میعان آب تکیه دارد، یافته‌های جدید نشان می‌دهند که انرژی پیوندی (BE) آب با دانه‌های یخی، دارای توزیع گاوسی است. این یعنی تبخیر آب به‌صورت تدریجی انجام می‌شود، نه به‌صورت ناگهانی.»

بر اساس این یافته‌ها، خط یخبندان (frost line) در واقع چندین واحد نجومی پهنا دارد، نه یک خط نازک و دقیق. نویسندگان می‌افزایند:

«در این مدل، ناحیه‌ای انتقالی از آب وجود دارد که در آن، مقداری از یخ آب درون ذرات باقی می‌ماند — حتی در داخل خط برف.»

با اینکه این رویدادها متعلق به میلیاردها سال پیش هستند، تنها راه بررسی آن‌ها، مطالعه‌ی سیارک‌ها و شهاب‌سنگ‌ها است. برای درستی این مدل، لازم بود که نتایج آن با مقدار و نسبت ایزوتوپی آب زمین، و همچنین الگوهای آبدار شدن در کندریت‌ها (chondrites) هم‌خوانی داشته باشد — چراکه کندریت‌ها بقایای دست‌نخورده‌ای از روزهای نخستین منظومه شمسی هستند.

نتایج نشان می‌دهد که گرچه عمده یخ‌های آب در فاصله‌ای بیش از یک واحد نجومی تبخیر شده‌اند، اما مقادیر اندکی از آب همچنان روی دانه‌های غبار باقی مانده‌اند — حتی در نواحی نزدیک به خورشید.
نویسندگان می‌نویسند:

«این مقدار اندک — چیزی بین ۰.۰۴ تا ۲.۵ درصد وزنی — به‌تنهایی می‌تواند تمام آب موجود در زمین را تأمین کند. بنابراین، آب زمین می‌تواند به‌طور عمده از همان ذرات یخی‌ای آمده باشد که در مدار زمین قرار داشتند، بدون نیاز به انتقال از بیرون.»

همچنین این مدل توانسته روند محتوای آب معادل در گروه‌های مختلف کندریت‌ها را نیز به‌درستی بازتولید کند. با اینکه سیارک‌های مادر این کندریت‌ها در زمان‌های متفاوتی شکل گرفته‌اند، محتوای آبی آن‌ها به‌نظر می‌رسد نمایانگر مقدار اولیه‌ی آب بوده که درون دانه‌های سیلیکاتی وجود داشته است — یعنی همان آجرهای سازنده‌ی کندریت‌ها.

در جمع‌بندی، نویسندگان می‌نویسند:

«در پرتو این یافته‌ها، این احتمال وجود دارد که آب زمین از ذرات یخی موجود در مدار زمین به ارث رسیده باشد — یعنی به‌صورت محلی شکل گرفته است.»

نتایج آن‌ها همچنین با این دیدگاه هم‌راستا است که کندریت‌های انستاتیت (EC) — که نوعی نادر از شهاب‌سنگ‌ها هستند — می‌توانند منبع اصلی سازنده زمین باشند. این کندریت‌ها نسبت ایزوتوپی مشابهی با آب زمین دارند و احتمالاً در همان حوالی مدار زمین شکل گرفته‌اند.

همچنین باید توجه داشت که یکی از مشکلات فرضیه پوسته نهایی این است که: چگونه ممکن بوده آب در زمان مناسب و مقدار درست به زمین برسد، بدون اینکه روند تشکیل سیاره را مختل کند؟ اگر زمین به‌تدریج در زمان تشکیلش آبدار شده باشد، دیگر نیازی به پاسخ به این پرسش نخواهد بود.

البته هنوز ایراداتی به نتایج این پژوهش وارد است و نویسندگان نیز خود به آن‌ها اشاره کرده‌اند. برای مثال، نسبت کنونی آب سنگین (دوتریوم) به آب معمولی در زمین ممکن است نشان‌دهنده نسبت واقعی عناصر نباشد، زیرا فرآیندهای چرخش آب بین سطح و درون زمین ممکن است این نسبت را تغییر داده باشند.

در نهایت، پژوهشگران نشان داده‌اند که تبخیر یخ آب در دیسک پیش‌سیاره‌ای، یک مرز مشخص ندارد و طیفی از انرژی‌ها باعث می‌شود برخی از آب حتی در داخل خط برف نیز باقی بماند. آن‌ها همچنین نشان داده‌اند که همین مقدار اندک از آب محلی می‌تواند منبع اصلی آب زمین باشد.

نویسندگان نتیجه می‌گیرند:

«این یافته‌ها نشان می‌دهند که بخش قابل توجهی از آب زمین احتمالاً منشأ محلی داشته است و نیازی به انتقال آن از آن سوی خط برف نبوده است.»

این پایان فرضیه پوسته نهایی نخواهد بود، اما اگر پژوهش‌های آینده از این نتایج پشتیبانی کنند، ایده‌ای که می‌گوید آب زمین توسط دنباله‌دارها و سیارک‌ها آورده شده، ضعیف‌تر خواهد شد.