Пием вода на 4,5 милиарда години

Произходът на водата на Земята е дългогодишна загадка. Съществуват различни хипотези и теории, обясняващи как водата се е появила тук, както и много доказателства в тяхна подкрепа.

Но водата е широко разпространена в протопланетните дискове и нейният произход може би все пак не е толкова загадъчен.

Изследователска статия в GeoScienceWorld Elements показва, че и в други млади слънчеви системи има изобилие от вода. В слънчеви системи като нашата водата се появява по време на растежа на младата звезда и формирането на планетите. Доказателството е в съдържанието на тежка вода на Земята и показва, че водата на нашата планета е на 4,5 милиарда години.

Статията е озаглавена "Пием чиста вода на 4,5 милиарда години" (We Drink Good 4.5-Billion-Year-Old Water), а авторите са Сесилия Чекарели (Cecilia Ceccarelli) и Фуджун Ду (Fujun Du). Чекарели е италиански астроном в Института за планетарни науки и астрофизика в Гренобъл, Франция. Ду е астроном в обсерваторията на Пурпурната планина в Нанкин, Китай.

Формирането на Слънчевата система започва с гигантски молекулярен облак. Облакът е съставен предимно от водород - основният компонент на водата. Следват хелий, кислород и въглерод, по реда на тяхното количество. Облакът съдържа също така малки зрънца силикатен прах и въглероден прах. Изследователската статия ни запознава с историята на водата в нашата Слънчева система и започва разказа си още от това време.

_{Звездите се формират в молекулярни облаци, огромни конгломерати от предимно водород. Това е комбинирано изображение на молекулярния облак Corona Australis от космическите обсерватории "Хершел" и "Планк" на ЕКА. Кредит: ESA/Herschel/Planck; J. D. Soler, MPIA}

Тук, в студените краища на молекулярния облак, когато кислородът се сблъска с прахово зърно, той замръзва и се прилепва към неговата повърхност. Но водата не е вода, докато водородът и кислородът не се съединят, а по-леките водородни молекули в облака подскачат по замръзналите прахови зърна, докато не срещнат кислород. Когато това се случи, те влизат в реакция и образуват воден лед - два вида вода: обикновена вода и тежка вода, съдържаща деутерий.

Деутерият е изотоп на водорода, наречен тежък водород (HDO - heavy hydrogen). Той има един протон и един неутрон в ядрото си. Това го отличава от "обикновения" водород, наречен протий. Протият има протон, но няма неутрон. И двата изотопа на водорода са стабилни и се запазват и до днес, като и двата могат да се съединяват с кислород, за да образуват вода.

Периодът, когато водният лед образува обвивка върху прахови зърна, авторите наричат студена фаза - първата стъпка от процеса, който те описват в статията си.

^{Тази фигура от изследването показва как водата се образува върху малки прахови зърна. Важното е, че част от водата е тежка вода (HDO). Водният лед образува замръзнала мантия около отделните прахови зърна. Кредит: Ceccarelli и Du, 2022 г.}

Когато материята се сгъстява в центъра на облака започва да се проявява гравитацията. Още маса попада в центъра на молекулярния облак и започва да се формира протозвезда. Част от енергията на гравитацията се превръща в топлина и в рамките на няколко астрономически единици (AU) от центъра на облака газът и прахът в диска достигат температура от 100 Келвина.

100 К е много студено от нашата земна гледна точка, това са само -173 градуса по Целзий. Но от химическа гледна точка това е достатъчно, за да се предизвика сублимация и ледът да промени фазата си във водна пара. Сублимацията се извършва в горещата област на "кориното" - топла обвивка, обграждаща центъра на облака. Въпреки че съдържат и сложни органични молекули, водата става най-разпространената молекула в него.

В този момент водата е в изобилие, въпреки че цялата е под формата на пара. "... едно типично горещо корино съдържа около 10 000 пъти повече вода от водата в океаните на Земята", пишат авторите.

_{На втория етап протозвездата все още не е започнала термоядрен синтез. Но тя все още генерира достатъчно топлина, за да сублимира водния лед върху праховите зърна в пара. Кредит: Ceccarelli и Du, 2022 г.}

Това е втората стъпка в процеса, очертан от авторите, и те я наричат фаза на протозвездата.

След това звездата започва да се върти, а заобикалящите я газ и прах образуват сплескан, въртящ се диск, наречен протопланетарен диск. Всичко, което в крайна сметка ще се превърне в планети и други елементи на Слънчевата система, се намира в този диск.

Младата протозвезда все още натрупва маса и животът ѝ, свързан с термоядрен синтез в главната последователност, е все още в бъдещето. Младата звезда генерира известна топлина от ударите на повърхността си, но не много. Затова дискът е студен, а най-отдалечените от младата протозвезда области са най-студени. Според авторите това, което се случва по-нататък, е от решаващо значение.

Водният лед, който се е образувал на първия етап, се освобождава в газ на втория етап, но отново се кондензира в най-студените части на протопланетния диск. Същата популация от прахови зърна отново е покрита с ледена обвивка. Но сега водните молекули в тази ледена мантия съдържат историята на водата в Слънчевата система. "По този начин праховите зърна са пазители на наследството на водата", пишат авторите.

Това е третата стъпка в процеса.

_{Тъй като протозвездата продължава да набира маса, тя започва да се върти. Газът и прахът образуват въртящ се диск, чийто център е звездата. Водната пара от втората стъпка се кондензира отново, а праховите зърна отново се покриват с ледени обвивки. Но този път водният лед запазва запис на преживяното. Кредит: Ceccarelli и Du, 2022 г.}

В четвъртата стъпка Слънчевата система започва да придобива форма и да прилича на по-пълно оформена система. Всички неща, с които сме свикнали, като планети, астероиди и комети, започват да се формират и да заемат своите орбити. А от какво произлизат те? От тези малки прахови зрънца и техните два пъти замразени водни молекули.

_{Протопланетен диск около младата звезда HL Tauri, показан от Atacama Large Millimetre/sub-millimetre Array. Тези нови наблюдения на ALMA разкриват субструктури в диска, които никога не са били наблюдавани преди, и дори показват възможните позиции на планети, формиращи се в тъмните петна в системата. Подобни изображения помагат на учените да разберат историята на нашата Слънчева система, включително нейната вода. Кредит: ESO/ALMA}

Това е ситуацията, в която се намираме днес. Макар че астрономите не могат да пътуват назад във времето, те стават все по-добри в наблюдението на други млади слънчеви системи и откриват улики за целия процес. Водата на Земята също съдържа важна следа: съотношението между тежката и обикновената вода.

В простото обяснение, дадено досега, са пропуснати някои подробности. Когато водният лед се образува на първия етап, температурата е изключително ниска. Това предизвиква необичайно явление, наречено супердеутеризация. Супердеутеризацията внася повече деутерий във водния лед, отколкото при други температури.

Деутерият се е образувал само в секундите след Големия взрив. Не се е образувал в голямо количество: само един деутерий на всеки 100 000 атома протий. Това означава, че ако деутерият е равномерно смесен с водата в Слънчевата система, количеството на тежка вода би се изразило в 10^-5. Но идва ред и на още по-сложни неща.

В горещото корино количеството се променя.

"Въпреки това в горещите корино съотношението HDO/H2O е малко по-малко от 1/100", обясняват авторите. (HDO са водните молекули, съдържащи два деутериеви изотопа, а H2O е обикновена вода, съдържаща два протоеви изотопа).

^{Горещите корино имат по-голямо количество тежка вода, отколкото други региони. Това изображение показва двойка горещи корино около млада двойна звездна система, наречена IRAS 4A. Кредит: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF}

Нещата се усложняват още повече.

"За да станат нещата още по-екстремни", обясняват авторите, "двойно деутерираната вода D2O е 1/1000 по отношение на H₂O, а именно около 107 пъти повече от това, което би било оценено от съотношението на атомите D/H."

Съотношенията съдържат толкова големи количества деутерий поради супердеутеризацията. В момента, в който се образува лед по повърхностите на праховите зърна, има увеличен брой D атоми в сравнение с H атомите, които попадат върху повърхностите на зърната. Задълбоченото химическо обяснение е извън обхвата на тази статия, но изводът е ясен.

"Не съществуват други начини за получаване на такова голямо количество тежка вода в горещите корини, а и въобще", пишат авторите. "Следователно изобилието на тежка вода е отличителен белег на синтеза на вода в студения куп молекулярни облаци през ерата на СТЪПКА 1."

Важното засега е, че има два епизода на синтез на вода. Първият се случва, когато Слънчевата система все още не се е формирала и е само студен облак. Вторият е, когато се формират планетите.

Двата процеса се случват при различни условия и тези условия оставят изотопен отпечатък върху водата. Водата от първия синтез е на 4,5 милиарда години и въпросът е: "Колко от тази древна вода е достигнала до Земята?"

За да разберат това, авторите наблюдават единствените две неща, които могат: общото количество вода и количеството деутерирана вода. Както казват авторите, "... а именно съотношението на тежката спрямо нормалната вода, HDO/H2O."

Създадена е повече от достатъчно вода, за да се обясни водата на Земята. Не забравяйте, че количеството вода в горещото корино е било 10 000 пъти повече от водата на Земята, а нейното съотношение HDO/H2O е различно от водата, образувана в първоначалния облак. Каква част от водата от кориното е достигнала до Земята? Загатване може да се намери чрез сравняване на стойностите на HDO/H2O в земната вода с тези на горещите корино.

Горещите корино са единственото място, където са наблюдавани HDO в някоя все още формираща се планетарна система от слънчев тип. В предишни изследвания учените сравняват тези съотношения със съотношенията в обекти в нашата Слънчева система - планети, метеорити и ледената луна на Сатурн Енцелад. Така се знае, че количеството на тежка вода на Земята, съотношението HDO/H2O, е около десет пъти по-голямо, отколкото във Вселената и в началото на Слънчевата система.

"Съотношението на тежка и нормална вода на Земята е около десет пъти повече от съотношението на елементите D/H във Вселената и съответно при раждането на Слънчевата система, в така наречената слънчева мъглявина", обясняват авторите.

Резултатите от цялата тази работа показват, че между 1 % и 50 % от водата на Земята произхожда от началната фаза на раждането на Слънчевата система. Това е широк диапазон, но все пак е важна част от информацията.

_{Тази диаграма от изследването показва как деутеризацията на водата, представена с червените символи, показващи съотношението HDO/H2O, намалява от етапа на горещото корино, към кометите и след това към астероидните фрагменти, които съставляват въглеродните метеорити. Важното е, че земното съотношение, показано със синята линия, е точно същото като това на въглеродните метеорити. Земната стойност също е десет пъти по-голяма от първоначалната стойност в протослънчевата мъглявина в първата стъпка. Кредит: Ceccarelli и Du, 2022 г.}

Авторите обобщават нещата в своето заключение.

"Водата в кометите и астероидите (от които произхождат по-голямата част от метеоритите) също е наследена от самото начало в големи количества. Земята вероятно е наследила първоначалната си вода предимно от планетоидите, за които се предполага, че са предшественици на астероидите и планетите, формирали Земята, а не от кометите, които са валяли върху нея."

Доставката от комети е друга хипотеза за водата на Земята. В тази хипотеза замръзналата вода отвъд линията на замръзване достига Земята, когато в нея се разбиват кометите.  изпратени от ледения Облак на Оорт във вътрешната Слънчева система. Идеята е логична.

Но това изследване показва, че това най-вероятно не е вярно.

Все още обаче остават въпроси без отговор. Не е обяснено как водата е достигнала до Земята. Но изследването показва, че количеството на тежката вода на Земята е поне началото на разгадаването на този въпрос.

_{Авторите илюстрират опростена сметка, показваща четири стъпки в създаването на водата в Слънчевата система. Кредит: Ceccarelli and Du, 2022 г.}

"В заключение, количеството тежка вода на Земята е нашата нишка на Ариадна, която може да ни помогне да излезем от лабиринта на всички възможни пътища, по които може да е поела Слънчевата система", обясняват авторите.

Водата на Земята е на 4,5 милиарда години, точно както се казва в заглавието на статията. Поне част от нея е такава. Според авторите планетоидите вероятно са я доставили на Земята, но как точно става това, не е ясно. Има още много сложни неща, които учените трябва да подредят, преди да могат да разберат това.

"Въпросът е доста заплетен, защото произходът и еволюцията на водата на Земята неизбежно са свързани с други важни елементи, участващи на тази планета, например въглерод, молекулярен кислород и магнитно поле", пишат авторите.

Всички тези неща са вплетени заедно в начина, по който е възникнал животът и как са се образували световете. Водата вероятно е изиграла роля при формирането на планетите, които са я доставили на Земята. Водата вероятно е изиграла роля в запазването на други химични вещества, включително градивните елементи на живота, върху скалистите космически тела, които са ги доставили на Земята.

_{Планетоидите са изиграли роля в доставянето на водата от Слънчевата система до Земята, но все още има много детайли за разплитане. Тази илюстрация на художник показва планети около млада звезда. Кредит: NASA/JPL}

Водата се намира в центъра на всичко това и като показват, че част от нея датира от самото начало на Слънчевата система, авторите са осигурили отправна точка за разгадаване на останалата част от нея.

"Тук представихме опростена ранна история на водата на Земята според най-новите наблюдения и теории", пишат авторите. "Голяма част от земната вода вероятно се е формирала в самото начало на раждането на Слънчевата система, когато е била студен облак от газ и прах, замръзнала и запазена по време на различните етапи, довели до формирането на планетите, астероидите и кометите, и в крайна сметка е била предадена на зараждащата се Земя."

"Как се е случило последното преминаване е друга увлекателна тема", заключават изследователите.

Справка: We Drink Good 4.5-Billion-Year-Old Water
Cecilia Ceccarelli; Fujun Du
GeoScienceWorld Elements (2022) 18 (3): 155–160.
https://doi.org/10.2138/gselements.18.3.155

Източник: Earth’s Water is 4.5 Billion Years Old, Universe Today