Žemės gelmių vandens kilmė, kuri iki šiol atrodė gana aiški, dabar rimtai keliama į klausimą. Nauji tyrimai rodo, kad tai, ką manėme žinantys apie vandens atsiradimą mūsų planetoje – ir net apie pačios gyvybės pradžią – gali būti klaidinga arba bent jau labai nepilna.
Geologai kalba apie galimą paradigmos lūžį: jei paaiškės, kad vanduo Žemėje atsirado kitaip, nei manyta, teks perrašyti svarbią mūsų planetos formavimosi istorijos dalį.
Geologai panikuoja: kas pasikeitė?
Panika tarp geologų čia reiškia ne triukšmingą baimę, o mokslo sukrėtimą: atsiranda duomenų, kurie meta iššūkį ilgai vyravusiam modeliui. Kiekviena nauja detalė gali tapti užuomina į visiškai kitokį scenarijų, nei tas, kuriuo rėmėsi dešimtmečius trukę skaičiavimai ir teorijos.
Vanduo – būtina sąlyga žinomai gyvybei – tampa pagrindiniu liudininku bandant atkurti ankstyvosios Žemės istoriją. Jei keičiasi mūsų supratimas apie tai, iš kur atsirado vanduo planetos viduje, kartu keičiasi ir tai, kaip įsivaizduojame:
- kaip formavosi Žemės branduolys ir mantija
- kada ir kokiomis sąlygomis atsirado pirmieji vandenynai
- kiek vandens iš tikrųjų slypi Žemės gelmėse
- ar vanduo atkeliavo iš išorės (kometų, asteroidų), ar susidarė beveik „vietoje“
- kaip tai gali būti pritaikoma ieškant gyvybei tinkamų pasaulių už Saulės sistemos ribų
Naujausi tyrimai leidžia manyti, kad Žemės vidaus vandens kilmė gali būti visai kitokia, nei buvo įprasta manyti iki šiol.
Abejonės dėl Žemės gelmių vandens kilmės
Ilgą laiką buvo spėliojama, kad Žemės branduolys gali būti didžiausias vandenilio (H) rezervuaras planetoje. Tačiau tiksli vandenilio koncentracija branduolyje išliko labai neaiški, nes jį tirti esant ekstremalioms slėgio ir temperatūros sąlygoms yra itin sudėtinga.
Neseniai žurnale „Nature“ paskelbtame straipsnyje aprašyti eksperimentai, kurie keičia žaidimo taisykles. Mokslininkai atliko vadinamuosius metalų–silikatų pasiskirstymo eksperimentus, naudodami:
- deimantines priekalų (ygnų) ląsteles
- lazeriu kaitintą superkaitrų metalų lydalą
- atominių zondų tomografiją, leidžiančią matyti medžiagos sudėtį nanometrų masteliu
Tiesiogiai aptiktas vandenilis nano struktūrose, turtingose silicio ir deguonies, geležies lydinyje. Tai rodo, kad formuojantis Žemės branduoliui vandenilis, silicis ir deguonis buvo „įkalinti“ branduolio viduje kartu, kaip susietas rinkinys.
Pagal stebėtą molinį (molio) Si/H santykį, artimą vienetui, apskaičiuota, kad Žemės branduolys gali turėti apie 0,07–0,36 % masės vandenilio. Tai prilygsta maždaug 9–45 dabartiniams Žemės vandenynams.
Jei šie skaičiai teisingi, tai reikštų, kad:
- didžioji dalis Žemės vandens buvo „įgyta“ ankstyvosiose planetos formavimosi stadijose, kai Žemė dar tik kaupėsi iš dulkių ir uolienų
- o ne vėlyvuoju laikotarpiu, kai vanduo esą atskriejo su kometomis ir asteroidais
Tai yra tiesioginis smūgis hipotezei, kad pagrindinis vandens šaltinis buvo vėlyvasis kometų „lietus“.
Kodėl kalbama apie „sausą“ Žemę?
Vandenilis yra gausiausias elementas visoje Saulės sistemoje. Tačiau lyginant su kai kuriomis anglingomis chondritinėmis meteoritų rūšimis (pvz., CI chondritais), Žemė laikoma kosmochemiškai „sausa“ – joje, paviršiaus mastu, vandenilio koncentracija mažesnė.
71 % Žemės paviršiaus dengia vandenynai, daugiausia sudaryti iš vandenilio ir deguonies, bet jau seniai buvo keliama prielaida, kad didžioji vandenilio dalis „paslėpta“ branduolyje nuo pat jo susidarymo prieš maždaug 4,5 mlrd. metų.
Ankstesni bandymai įvertinti vandenilio kiekį branduolyje rėmėsi:
- aukšto slėgio metalų–silikatų pasiskirstymo eksperimentais
- skaičiavimais, imituojančiais, kaip vandenilis pasiskirstė tarp mantijos ir branduolio, kai Žemė buvo padengta giliu magmos vandenynu
Tačiau šie įverčiai buvo labai netikslūs – svyravo net keturiais dydžio eilės laipsniais: nuo 10 iki 10 000 dalių milijonui pagal masę. Tokia paklaida praktiškai neleidžia patikimai pasakyti, kiek vandenilio iš tiesų yra branduolyje.
Iki šiol aukšto slėgio eksperimentuose vandenilio kiekis dažnai būdavo nustatomas netiesiogiai – pagal gardelės (kristalinės struktūros) plėtimąsi, kurį sukelia vandenilis. Tai yra netiesioginis metodas, turintis daug ribojimų.
Tikslesni matavimai iki maždaug 20 GPa (gigapaskalių) slėgio buvo įmanomi, bet be papildomų prielaidų jie labiau tinka Marso dydžio planetoms, o ne Žemei. Tuo tarpu Žemės mantijos ir branduolio išsiskyrimas greičiausiai vyko magmos vandenynuose esant iki 70 GPa slėgiui. Todėl tiesioginis vandenilio matavimas tokiomis sąlygomis yra būtinas, jei norime suprasti, kur iš tikrųjų atsidūrė vandenilis ankstyvosios Žemės evoliucijos metu.
Ką iš tikrųjų gali pakeisti šis atradimas?
Jei naujieji „Nature“ straipsnyje aprašyti rezultatai pasitvirtins, jie gali priversti iš esmės peržiūrėti kelis kertinius teiginius apie mūsų planetą.
Pirmiausia, reikėtų kitaip vertinti vandens kilmės balansą: nebe dominuojantis kometų ir asteroidų vaidmuo, o ankstyvoji akrecija ir vidinis planetos „sandėliavimas“. Tai reikštų, kad vanduo yra labiau natūralus ir neišvengiamas Žemės formavimosi produktas, o ne atsitiktinė vėlyvo smūgių „lietaus“ pasekmė.
Antra, pasikeistų mūsų požiūris į „sausų“ ir „šlapių“ planetų ribą. Jei Žemė, kosmocheminiu požiūriu laikoma gana „sausa“, vis dėlto gali turėti branduolyje tiek vandenilio, kad tai atitiktų kelias dešimtis vandenynų, tuomet kitos uolinės planetos taip pat gali slėpti milžiniškus vandens kiekius savo gelmėse, nors paviršiuje jos atrodo be vandens.
Trečia, tokie rezultatai gali paveikti ir gyvybės paieškas už Žemės ribų. Jei vanduo dažnai susidaro ir „pasislepia“ planetų gelmėse dar ankstyvose formavimosi stadijose, tuomet gyvybei tinkamų pasaulių gali būti daugiau, nei manyta, net jei jų paviršiuje vandens iš karto nematyti.
Galiausiai, tai priverčia iš naujo įvertinti pačios Žemės vidaus dinamiką: kiek vandens ir vandenilio dalyvauja mantijos procesuose, plokščių tektonikoje, vulkanizme ir ilgalaikėje klimato raidoje.
Kol kas aišku viena: Žemės gelmės vis dar slepia atsakymus, galinčius iš esmės pakeisti mūsų supratimą apie gyvybės lopšį, kuriame gyvename.
