OD KOD IZVIRAJO ZEMELJSKI OCEANI?

Trenutno poteka vesoljski raziskovalni projekt, v okviru katerega vesoljska sonda potuje z Zemlje proti Evropi, Jupitrovi ledeni luni, za katero strokovnjaki menijo, da skriva globalni ocean, ki je v marsičem podoben našemu. Projekt se dobro vklaplja v trende vesoljskih raziskav, v katerih že desetletja prevladuje iskanje vode, saj je voda, kolikor vemo, nujna za življenje. Ob tem je lahko presenetljivo dejstvo, da strokovnjaki še danes ne vedo, kako je voda prišla na naš planet.

Dolga leta je bila najbolj razširjena teorija, da je voda na naš planet prispela na kometih. Ti ledeni objekti, ki krožijo okoli Sonca in imajo pogosto spektakularen rep, so nastali ob zori osončja in so ob trkih v davnini Zemljo verjetno res prinesli vodo. V zadnjih letih pa je več vesoljskih plovil od blizu preučevalo komete in ugotovilo, da se voda na njih kemično ne ujema z našo.

Komete so nato nekoliko potisnili v ozadje, je povedal Ashley King, raziskovalec meteoritov iz londonskega Prirodoslovnega muzeja. Nato so postali najbolj priljubljen domnevni vir vode asteroidi, ki so bolj skalnati in bogatejši s kovinami kot kometi. Asteroidi trčijo v Zemljo precej pogosteje kot kometi, njihove zaloge vode (čeprav niso tako ogromne kot pri kometih) pa so precej bolj podobne tistim na našem planetu.

A tudi z asteroidi so težave, medtem pa je glede izvora vode vse bolj pridobivala prostor radikalno nova zamisel. Z natančnim opazovanjem planetov, ki krožijo okoli drugih zvezd, in z laboratorijskimi poskusi so strokovnjaki ugotovili, da imajo skalnati planeti, podobni Zemlji, svoj »način«, da vodo popolnoma samostojno proizvedejo.

Kometi in asteroidi

Zemlja je nastala pred približno 4,54 milijarde let. Čeprav je večina njene najzgodnejše dobe zaradi začetnih peklenskih razmer izginila v pozabo, se strokovnjaki o osnovnih dejstvih strinjajo: sprva je bil planet krogla, sestavljena predvsem iz staljenih kamnin. Nato je postal modra krogla. A kako?

Kometi so se sprva zdeli prepričljiv odgovor. Ledeni objekti iz Kuiperjevega pasu onkraj Neptuna ali še od dlje, iz Oortovega oblaka, se čas od časa izmaknejo svoji tirnici in zaidejo globlje v osončje. Ko komet prileti dovolj blizu Soncu, se njegov led in zamrznjeni plini spremenijo v paro in ustvarijo rep, ki lahko sega več sto milijonov kilometrov daleč.

Raziskovalci so menili, da so v preteklosti takšni kometi lahko trčili v Zemljo in zagotovili vodo. A nihče ni mogel dokazati, da kometi vsebujejo vodo, podobno zemeljski – vse do osemdesetih let prejšnjega stoletja, ko se je Evropska vesoljska agencija (ESA) odločila to preveriti. Odprava v globoko vesolje z imenom Giotto je bila resnično ambiciozna: bila je prvo vesoljsko plovilo, ki je od blizu preučilo ledeno jedro kometa.

Giotto je leta 1986 dosegel Halleyjev komet, ki približno vsakih 76 let prečka Zemljino tirnico. Sondi je uspelo na Zemljo poslati dramatične posnetke jedra kometa ter meritve oblaka snovi okoli njega. Raziskovalce je najbolj zanimalo tako imenovano razmerje D/H, ki ga je izmeril Giotto. Voda na Zemlji je skoraj v celoti sestavljena iz dveh atomov vodika in enega atoma kisika. A obstajajo tudi druge oblike vode, med njimi težka voda, ki je sestavljena iz enega atoma kisika in dveh težjih vodikov, devterija.

Če bi bili za nastanek oceanov odgovorni kometi, bi pričakovali, da bo razmerje med devterijem in vodikom v vodi na Halleyjevem kometu podobno tistemu v vodi na Zemlji.

V devetdesetih letih in v prvem desetletju 21. stoletja so se pri teoriji o kometih pojavile nadaljnje težave, ko so spektroskopska opazovanja drugih kometov, na primer Hale–Bopp, prav tako razkrila dokaze, ki kažejo na težko vodo. Odločilni udarec je prišel leta 2014, ko je Esina vesoljska sonda Rosetta zakrožila okoli kometa 67P/Čurjumov–Gerasimenko in nanj poslala tudi pristajalnik. Rosetta je do danes opravila najnatančnejše meritve sestave kometa – in ugotovila, da je imel najvišjo koncentracijo devterija med vsemi preučevanimi kometi.

Nato se je pojavila domneva, da če zemeljska voda ne izvira iz kometov, morda izvira iz asteroidov. Ti skalnati objekti večinoma krožijo med Marsom in Jupitrom in v obliki meteoritov nenehno trkajo v naš planet, čeprav večina njihove snovi zgori v ozračju ali pade v ocean. Raziskovalci so zbrali več deset tisoč meteoritov in ugotovili, da so molekule vode v določeni skupini zelo podobne tistim na našem planetu. Za meteor, ki je leta 2021 treščil na območje mirnega britanskega mesteca Winchcombe, so dokazali, da se njegovo razmerje D/H skoraj popolnoma ujema s tistim, ki je značilno za zemeljske oceane.

Vendar se lahko meteoriti ob vstopu v ozračje in ob trku onesnažijo. Zato so raziskovalci vesoljska plovila poslali tudi k asteroidom in zbrali snovi za njihovo analizo. V nekaterih primerih so ugotovili, da tudi asteroidi, ki se gibljejo v vesolju, vsebujejo vodo, podobno zemeljski. Študija, objavljena leta 2023, je razkrila, da ima voda z asteroida Ryugu, ki ga je japonska vesoljska agencija obiskala leta 2018, razmerje D/H podobno večini vode na Zemlji. Glede izvora zemeljske vode znanstvena skupnost dandanes bolj podpira asteroide kot komete.

Vendar razmerje D/H pri asteroidih ni dalo dokončnega odgovora o izvoru zemeljske vode. Ti vesoljski kamni vsebujejo tudi majhne količine žlahtnih plinov, kot so argon, kripton in ksenon, strokovnjaki pa so ugotovili, da se te zmesi na splošno ne ujemajo s tem, kar najdemo na našem planetu. Poleg tega imata teoriji, ki temeljita na kometih in asteroidih, isto osnovno težavo: oba tipa objektov bi lahko planetu zagotovila oceane le s srečo. V kratkem času bi moralo v Zemljo po fazi superzavrelega magmatskega oceana trčiti veliko asteroidov ali kometov, da bi nastal svet, prekrit z vodo, v katerem danes živimo. To so v preteklosti imeli za samoumevno, a obstoj tega poznega bombardiranja je danes predmet burne razprave v znanstveni skupnosti.

Vodik in magma

Ko astronomi preučujejo eksoplanete – planete zunaj našega osončja –, vidijo najrazličnejša ozračja. Ko pa simulirajo načine nastanka planetov, vidijo, da so bili mnogi sprva morda polni vodika. Je bilo morda podobno tudi v prvih letih nastajanja Zemlje?

Strokovnjaki so prej verjeli, da je bilo na zgodnji Zemlji komaj kaj vodika. K temu sklepu so prišli po preučevanju meteoritov, katerih kemična sestava je sumljivo podobna zemeljski. Zaradi te podobnosti so raziskovalci menili, da sta oba materiala verjetno nastala na enak način. In ker ti meteoriti niso vsebovali vodika, so strokovnjaki mislili, da isto velja za naš planet.

Zemljin magmatski ocean je bil poln kisika. V študiji, objavljeni leta 2023, so trije strokovnjaki zastavili vprašanje, kaj bi se zgodilo, če bi se vodik v planetovem ozračju in kisik v magmi nekako pomešala. Vodik se spontano ne veže s kisikom, zato ni ravno najprimernejši kemični partner. Raziskovalci pa so kljub temu sklenili, da bi takšen proces planetu omogočil, da proizvede lastno vodo; le niso bili prepričani, koliko.

Dve leti pozneje jim je pri boljši oceni pomagala ambiciozna serija poskusov, ki so jih izvedli Harrison Horn, fizik iz Nacionalnega laboratorija Lawrence Livermore; S.-H. Dan Shim, geofizik z Državne univerze Arizone; in drugi.

Strokovnjaki so med drugim želeli ugotoviti, kako lahko pogosti eksoplaneti, manjši od Neptuna, z od dvakratnim do štirikratnim premerom Zemlje, premorejo z vodo bogato ozračje – kot kažejo opazovanja s teleskopi –, tudi ko krožijo blizu svoje vroče matične zvezde. Ali je za to lahko dovolj reakcija med vodikovim ozračjem in magmatskim oceanom? Sumili so, da je, a le če ogromna količina vodika na magmo izvaja dovolj velik tlak. »Ta višji tlak močno prispeva k nastajanju vode, pravzaprav spodbuja kemične reakcije,« pravi Horn.

Zato so morali izjemno vnetljiv vodik izpostaviti intenzivnemu tlaku s pomočjo tako imenovanih diamantnih nakovalk, nato pa to združiti z vzorci kamnin, staljenimi z laserjem. Trajalo je pet let, preden so razvili tehnike, potrebne za varno in učinkovito izvedbo poskusov. »Uničili smo veliko diamantov. Bilo je razburljivo potovanje,« pravi Shim.

Raziskovalci so upali, da bosta vodik in kisik reagirala in ustvarila vodo. In točno to se je zgodilo, in to v skrajni meri: reakcija visokotlačnega vodika in z laserjem staljene kamnine je bila tako učinkovita, da je nastala več kot 1000-krat večja količina vode, kot so napovedovali strokovnjaki. (Tudi študija, zasnovana na drugi laboratorijski raziskavi in objavljena približno istočasno, je poročala o podobnih rezultatih.) »Ne zdi se nerazumno, da je mogoče tako dovolj hitro proizvesti ogromne količine vode,« pravi Paul Byrne, planetni raziskovalec z Univerze Washington.

A ali to pomeni, da je Zemlja svoje oceane res ustvarila sama? Tu se stvari začnejo nekoliko zapletati. Študija o Zemlji ne podaja odločnih trditev, a po mnenju Horna in Shima je ta scenarij povsem mogoč.

Tudi drugi strokovnjaki se strinjajo, da je lahko na Zemlji nastala določena količina vode – a morda še zdaleč ne dovolj za nastanek oceanov. »Rekel bi, da je vsekakor mogoče, da je v zgodnjem obdobju z reakcijo z vodikom nastalo nekaj vode. Koliko, pa je precej uganka,« pravi Quentin Williams, eksperimentalni geofizik z Univerze v Santa Cruzu.

Osnovna težava je, da nihče ne ve, ali je bilo v zgodnjem Zemljinem ozračju dovolj vodika, da bi nastal tlak, potreben za reakcijo. Sub-Neptuni imajo precej večjo maso kot Zemlja, njihova močna gravitacija pa vodik bolje zadržuje. »Zemlja je ravno na meji, kjer se lahko takšni procesi začnejo,« pravi Horn.

Nekateri raziskovalci ne verjamejo, da je imela Zemlja dovolj mase, da bi veliko količino vode proizvedla sama. »Nekoliko dvomim, da bi bilo to mogoče na planetu z maso, podobno Zemljini,« pravi Anders Johansen, astrofizik z Univerze v Københavnu in Univerze v Lundu. Po Byrnovem mnenju pa raziskave sub-Neptunov kažejo, da reakcija ne rabi trajati dolgo, da nastanejo ogromne količine vode. Morda je bila Zemlja tovarna vode le za trenutek, a ta trenutek je lahko zadostoval za nastanek oceanov.

Če je to res, so posledice daleč onkraj našega osončja. Morda je neštetim planetom skupen pogoj, ki je lahko potreben za nastanek življenja, saj – kot je rekel Byrne – »se rodijo bogati z vodo«.

Morje možnosti

Možno je torej, da vsaj del zemeljske vode izvira iz procesov, ki potekajo na samem planetu. A to še ni konec zgodbe: kometi so se namreč medtem spet vrnili v igro. Ko se je Rosetta leta 2014 srečala s kometom 67P/Čurjumov–Gerasimenko v obliki gumijaste račke, so raziskovalci že preučevali vodo 11 drugih kometov. Vsi so imeli razmerje D/H, drugačno od zemeljskega – razen enega. Leta 2011 je Esin vesoljski observatorij Herschel ugotovil, da ima voda na kometu z imenom Hartley 2 lastnosti, značilne za Zemljo.

Opazovanje se je zdelo nenavadno. Nato so strokovnjaki v raziskavi, objavljeni leta 2024, ponovno preučili analizo Rosettinega kometa – in ugotovili, da je vesolje morda podatke »ponaredilo«. V času vzorčenja je Rosetta preletela prah, ki je vseboval težko vodo. Samo ledeno telo kometa, ki ga je ta prah obdajal, je bilo v osnovi precej podobno zemeljskemu ledu. Nato so v članku, objavljenem leta 2025, ob opazovanju kometa 12P/Pons–Brooks zaznali razmerje D/H, značilno za zemeljske oceane.

Del raziskovalcev zdaj meni, da so k rezultatu lahko prispevali vsi trije procesi, a kaj točno se je zgodilo, morda ne bomo nikoli izvedeli. Kar ne pomeni, da so strokovnjaki odnehali z iskanjem odgovora na to vprašanje, ki je poleg zemeljske preteklosti ena najosnovnejših skrivnosti našega lastnega obstoja.