جعل الماء كوكب الأرض – الكوكب المعروف بمحيطاته الزرقاء. تشكل المياه الأرض من خلال التعرية وهي أساسية لقدرة الأرض على دعم الحياة. لكن من الصعب علينا أن نفهم كيف انتهى الأمر بالأرض بهذه المياه ، لأن اللبنات التي تتكون منها ربما جفت ، ولابد أن الاصطدامات التي صنعت هذه الكتل البنائية في كوكب قد دفعت أي مياه سطحية إلى الفضاء. .
تم اقتراح طرق مختلفة لتوفير الماء بعد تكوين الأرض. لكن دراسة جديدة تأخذ المعلومات التي حصلنا عليها من دراسة الكواكب الخارجية وتطبقها على الأرض. تشير النتائج إلى أن التفاعلات الكيميائية أثناء تكوين الأرض كانت ستنتج ما يكفي من الماء لملء محيطات العالم. أيضًا ، كميزة جانبية ، يشرح النموذج الكثافة المختلفة قليلاً لنواة الأرض.
ضد للماء
يبدو أن الأرض قد بُنيت أساسًا من مواد موجودة في النظام الشمسي الداخلي. لم تكن تلك المواد موجودة فقط ، ولكن المواد الحالية الموجودة في الكويكبات في المنطقة قدمت تطابقًا جيدًا بناءً على تركيبها الأولي والنظيري. لكن هذه المكونات جافة جدًا. هذه ليست مفاجأة. قد تكون درجة الحرارة في هذه المنطقة أبعد من نقطة تعرف باسم “خط الجليد” للمياه خارج النظام الشمسي ، مما يمنع الماء من الهروب كمادة صلبة.
قد يكون أي ماء موجود قد فُقد في الفضاء ، حيث يُعتقد أن عملية تكوين الكواكب حدثت من خلال الاصطدامات بين الأجسام الأصغر ، مع نمو الأجسام الأكبر تدريجياً وتصطدم الأجسام الأصغر بها. يتبخر معظم الماء في هذه الأجسام ويضيع في الفضاء.
لكن ثلاثة باحثين (إدوارد يونغ ، وأنات شاحار ، وهيلك شليشتينغ) ركزوا على عامل إضافي ربما كان موجودًا أثناء تكوين النظام الشمسي: الهيدروجين. يُعتقد أن الهيدروجين يتوافر بكثرة في وقت مبكر من تكوين الكوكب ، ولكنه ينضب بسبب الإشعاع المنبعث مع احتراق النجم المركزي. في نظامنا الشمسي ، تم التقاط بعض الكواكب الخارجية قبل أن تضيع. لكن يبدو أن كواكبنا الداخلية تشكلت بعنصر صغير أو فقدته في وقت مبكر من تاريخها.
لكن نظرة على الكواكب الخارجية تشير إلى أن هذا ليس مصيرًا لا مفر منه. لقد اكتشفنا العديد من الكواكب الصخرية الفائقة التي لا تحتوي على أجواء غنية بالهيدروجين. لكن هناك فجوة ضعف نصف قطر الأرض حيث نجد الكثير من نبتون الصغيرة التي يبدو أنها احتفظت بغلاف جوي سميك وغني بالهيدروجين. أدى ذلك إلى اقتراح أن جميع الكواكب الصخرية بدأت ببيئة غنية بالهيدروجين وطوّرت منها الغلاف الجوي الأول لها. ومع ذلك ، عند مستوى معين ، يتم فقد هذا الهيدروجين لاحقًا في تاريخه. يمكن أن يكون أي غلاف جوي موجود على هذه الكواكب ناتجًا عن تكوين ثانوي.
إلى استنتاجها المنطقي ، ربما تكون الأرض قد بدأت بغلاف جوي غني بالهيدروجين. لذلك ، قرر الباحثون المشاركون في الدراسة الجديدة التحقيق في عواقب هذا الموقف.
كيمياء الكواكب
لاستكشاف هذه الفكرة ، ملأ الباحثون بشكل أساسي مفاعلًا كيميائيًا عملاقًا بمعظم مواد الأرض القديمة ووسعوا نطاقها إلى حجم أحد أسلاف الأرض الكبيرة (حوالي نصف حجم كوكب الأرض اليوم). وتشمل هذه أكاسيد الحديد والصوديوم وسيليكات مختلفة وثاني أكسيد الكربون والميثان والأكسجين والعديد من المواد الأخرى. تم وضع كل هذه العناصر تحت جو غني بالهيدروجين وتم تسخينها لتقليد محيطات الصهارة الناتجة عن الاصطدامات المتكررة أثناء تشكل الكواكب.
من المحتمل أن تستمر هذه الفترة لملايين السنين لأن أجواء الهيدروجين تحتفظ بالحرارة جيدًا (تعمل كغاز دفيئة). يعطي هذا التفاعلات الكيميائية التي تحدث – ويراقب الباحثون 18 منها – وقتًا للوصول إلى التوازن والسماح بوقت كافٍ لفصل المواد المختلفة في باطن الكوكب حسب الكثافة.
أحد الأشياء التي تحدث هو أن العديد من العناصر ، بما في ذلك الأكسجين والسيليكون والهيدروجين ، مرتبطة بالحديد في اللب. نظرًا لأن كل هذه العناصر أقل كثافة من الحديد ، فإن هذا له تأثير في جعل اللب أقل كثافة مما لو كان الحديد النقي – وهو ما ينطبق على الأرض الحقيقية.
في بعض التفاعلات ، تتضمن إضافة الهيدروجين إزاحة الأكسجين ، والنتيجة الثانوية لهذه التفاعلات هي الماء. في ظل الظروف التي تم فحصها هنا ، أنتجت التفاعلات كميات مماثلة لتلك الموجودة في محيطات الأرض. كتب الباحثون: “حتى لو كانت الصخور في النظام الشمسي الداخلي جافة تمامًا” ، فإن التفاعلات بين H.2 تنتج الغلاف الجوي ومحيطات الصهارة كميات كبيرة من الهيدروجين2مصادر أخرى لـ O.H2أوه ممكن ، لكن ليس ضروريا “.
قيود النمذجة
بالإضافة إلى ذلك ، تعمل المحاكاة مع نطاق واسع من درجات الحرارة – تتطلب العمليات الموصوفة هنا حرارة كافية لإذابة الكوكب عندما يصل إلى التوازن. يعمل هذا مع أحجام مختلفة من السلائف ، لكنه يفشل إذا كانت السلائف صغيرة جدًا. يتزامن هذا مع الجفاف الشديد للمريخ وعطارد. المتغير الأساسي في نهاية المطاف هو كمية المياه التي يتم إنتاجها ؛ عند الوصول إلى قلب مرتفع من الهيدروجين ، سيكون من السهل إنشاء عالم مائي يبلغ حجمه ثلاثة أضعاف حجم محيطات اليوم.
على الرغم من أن النموذج قوي للعديد من التغييرات في الظروف المبكرة ، إلا أنه مقيد بعدم كونه صورة كاملة لكيمياء الأرض المبكرة. الكبريت والنيتروجين ، اللذان يلعبان أدوارًا مهمة في كيمياء الأرض ، غائبان بشكل ملحوظ.
لكن ما يحدث بعد تشكل الماء هو فجوة كبيرة في النموذج. نظرًا لوجود محيط من الصهارة ، يمكن أن ينتهي به المطاف في الغلاف الجوي ، حيث يمكن أن يتشقق بسبب الإشعاع الشمسي ويفقد الهيدروجين في النظام الشمسي إذا كان قد تبدد بالفعل. الأمر نفسه ينطبق على أي تأثيرات لاحقة تسخن الكوكب ، مثل الاصطدام العملاق الذي خلق القمر. إذا كان لا يزال هناك ما يكفي من الهيدروجين ، فهذه ليست مشكلة لأنه يمكن إصلاح الماء. يستشهد الباحثون بأبحاث تشير إلى أن الغلاف الجوي الغني بالمياه يمكن أن ينجو حتى من اصطدام كبير. أخيرًا ، يمكنك تخيل الظروف التي كان فيها إنتاج المياه مبكرًا مرتفعًا ، ولكن ضاع ما يكفي من خلال هذه العمليات لترك الأرض في حالتها الحالية.
لذلك ، على الرغم من أن إنتاج الماء لا يتطلب ضبطًا دقيقًا للظروف ، إلا أنه يمكن الحفاظ عليه.
لكن الآثار المترتبة على عوالم خارج عالمنا تبدو أكبر قليلاً. تشير هذه النتائج إلى أن المراحل الأولية الكبيرة يجب أن تكون قد أنتجت الماء أثناء تكوين الكواكب الصخرية. لذلك عندما نفكر في الكواكب في الأنظمة الخارجية ، قد يكون السؤال عما إذا كانوا قد عانوا من ظروف من شأنها أن تسبب لهم فقدان الماء وليس ما إذا كان لديهم أي منها في المقام الأول.
الطبيعة ، 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-05823-0 (حول DOIs).
