Uppruni Vatnsins - Annar Hluti

Ég hef áður bloggað um hugmyndir um uppruna vatnsins á jörðu í bloggi mínu 7. janúar 2010. Þar benti ég á að á sextándu öld héldu menn að uppruna vatnsins væri að finna í lindum, þar sem vatnið streymdi uppúr jörðinni, eins og kemur fram td. á fornum landakortum af Íslandi. En við höfum nú lært margt síðan. Hver er hinn raunverulegi uppruni vatnsins? Þetta er stór spurning, en henni má svara á ýmsa vegu. Stærsta spruningin er: hver er uppruni vatnsins í alheiminum? Við skulum láta hana vera að sinni, en hún varðar uppruna frumefna í sólinni. Í staðinn skulum við skoða hver er uppruni vatnsins á jörðu, sem er nokkuð viðráðanvegt vandamál, en samt erfitt að skýra í stuttu máli. Málið tengist eldfjöllunum á merkilegan hátt, eins og sýnt er hér á myndinni. Við byrjum áður en jörðin hefur myndast, fyrir um 15 miljörðum ára. Þá er staður okkar í sólkerfinu mikið rykský eða geimþoka, þar sem flest eða öll frumefnin í jörðinni eru fyrir hendi. Hlutfall efnanna er nokkuð svipað víða í sólkerfinu, og hefur sennilega verið líkt því og finnst í loftsteinum sem nefndir eru chondrites. Rykskýið þéttist og myndar plánetur umhverfis sólina. Frumefnin skipa sér strax í að mynda steindir eða mínerala sem eru í jafnvægi við mikinn hita, og eru einkum tvær tegundir mínerala mikilvægar á þessu augnabliki í upphafi jarðar. Önnur tegundin eru steindir sem eru kísil-ríkar, en hin tegundin eru málmar. Sennilega hafa málmríku steindirnar leitað strax inn að miðju á frumjörðinni fyrir um 4,5 miljörðum ára og safnast saman til að mynda kjarnann vegna hárrar eðlisþyngdar þeirra, en léttari kísilríku steindirnar þá safnast saman í skel utan um kjarnann, en það er skelin sem við nefnum möttul jarðar í dag. Á þessum fyrstu árum jarðar var stöðug skothríð á jörðina frá risastórum loftsteinum sem voru á óreglulegum brautum um sólkerfið. Einn sá stærsti sem rakst á jörðina var sennilega á stærð við plánetuna Mars, og við áreksturinn splundraðist jörðin, en náði aftur jafnvægi. Áreksturinn gerði þó mikinn usla og mikið magn af efni sem kastaðist frá jörðu við áreksturinn myndaði tunglið. Skothríðin hefur sennilega varið frá um 4,7 miljörðum ára þar til um 3,6 miljörðum ára, og telja sumir jarðfræðingar að yfirborð jarðar hafi allt verið bráðinn hafsjór af glóandi hraunkviku þennan tíma. Orkan sem berst til jarðar við árekstra risastórra loftsteina er gýfurlega mikil og orsakar bráðnun á möttlinum. Öll gufukennd eða rjúkandi efni hafa þá myndað sveip af gasi umhverfis jörðina við þennan háa hita. Sum þessi efni eru svo létt að þau sleppa frá áhrifum aðdráttarafls jarðarinnar og rjúka út í geiminn, og eru töpuð að eilífu. Árekstrunum linnir og skothríðinni lýkur loks þegar jörðin er búin að sópa upp öllu lausa loftsteinaruslinu sem var á braut hennar. Þá kólnar og storknar möttullinn og yfirborð jarðar aftur, og hún fer nú að líkjast jörðinni okkar. Það er nauðsynlegt að fara í gegnum þessa forsögu áður en við komum að vatninu. Auk kísilefna og málma voru mörg rjúkandi efni í skýinu sem jörðin þjappaðist saman úr. Rjúkandi efni eru þau efni og efnasambönd sem gufa upp eða breytast í gas við hátt hitastig, og þar á meðal er vetni, súrefni, brennisteinn, koldíoxíð, vatn, köfnunarefni og mörg fleiri. Yfirborð jarðar kólnar hratt og sum rjúkandi efnin þéttast, og vatni rignir til jarðar til að mynda höfin. Vatn var komið niður á yfirborð jarðar í fljótandi formi fyrir 4,4 miljörðum ára. En nokkur hluti rjúkandi efna er enn inni í möttli jarðar. Þessi hluti berst enn upp á yfirborð við eldgos, og jörðin er enn að skila vatni og öðrum rjúkandi efnum uppá yfirborðið í eldgosum. Sumt af vatninu og öðrum rjúkandi efnum skilar sér aftur til baka djúpt niður í jörðina í sigbeltum, þar sem tveir flekar rekast á, og annar flekinn sígur undir hinn, hundruðir kílómetra niður í möttulinn. Það er því hringrás vatns inni í jörðinni, alveg eins og hringrásin sem er á vatni milli yfirborðs jarðar og andrúmsloftsins. Vatn á yfirborði jarðar er talið vera um 1,36 miljarðar rúmkílómetra, og er næstum allt það vatn í hafinu. Það hefur lengi verið talið að það sé töluvert vatn sem er bundið í steindum í möttlinum, bæði vatn sem hefur borist niður í möttul með flekum í sigbeltum, og vatn sem á uppruna sinn í mötlinum. Nýlega hafa mælingar á jarðskjálftabylgjum sýnt til dæmis að mikið svæði í möttlinum undir suðaustur Asíu hefur einkenni sem benda til að þar sé um 0,1 % vatn í möttlinum, samkvæmt mælingum sem Michael Wysession og félagar hafa gert. Myndin fyrir neðan sýnir rauðu svæðin í jörðinni þar sem jarðskjálftabylgjur eru hægari, ef til vill vegna vatns í steindum í möttlinum. Hér fara skjálftabylgjur svo hægt í gegnum möttulinn að hann hlýtur að innihalda efni eins og vatn í steindunum. Takið eftir að vatnsríku svæðin eru þar sem sigbelti hafa verið lengi virk, og flutt mikið magn af vatni frá yfirborði niður í möttul. Nú er möttullinn um 82% af rúmmáli jarðar, svo að hér getur verið ógrynni af vatni. Ef það er aðeins í efri möttlinum, þá má vera að þessi neðanjarðar vatnsforði sé að minnsta kosti 400 miljón rúmkílómetrar, eða einn þriðji af rúmmáli allra hafanna. Vatnið í möttlinum heldur áfram að skila sér upp á yfirborð jarðar þegar strókar af gufu og öðrum gösum rjúka upp í loftið í eldgosum. En samtímis skilar vatnið sér niður í möttul þegar blaut setlög og ummyndað berg sígur niður í möttulinn við flekahreyfingar í sigbeltum jarðar. Þannig er þessi stórmerkilega hringrás, sem minnir okkur á að jörðin er lifandi, á sinn hátt. En tunglið? Er nokkuð vatn þar? Það eru enn engin merki þess að svo sé, enda er aðdráttarafl tunglsins aðeins einn sjötti af aðdráttarafli jarðar. Maður sem er 100 kg á jörðu er aðeins 17 kg á tunglinu. Hraðinn sem raketta þarf að ná til að sleppa út úr aðdráttarafli tunglsins (lausnarhraði) er aðeins 2,8 km á sek. Vetnisatóm, H, iðar sífellt of titrar á hraða sem er um 16 km á sek, og tunglið getur ekki haldið inni svo léttum atómum – þau gufa upp og rjúka út í geiminn. Nú er talið hugsanlegt að ís sé til í botnum á djúpum gígum á tunglinu, þar sem aldrei sólin skín. Ef svo er, þá eru það góðar fréttir fyrir þá sem vilja smíða geimför á tunglinu, knúin vetni og súrefni. Að finna vatn á tunglinu er eins og að finna gull á jörðu. Tunglið er geimstöð framtíðar.

Athugasemdir

[Stjörnufræðivefurinn (www.stjornufraedi.is), 11.1.2010 kl. 13:18]

Þetta þykja mér áhugaverðar vangaveltur. Til að leita svara við spurningunni um uppruna vatns á jörðinni horfa menn mikið til geimferða til halastjarna og smástirna. Þá viljum við mæla hlutfall tvívetnis og vetnis í vatninu á þessum hnöttum sem og samsætum eðalgastegunda og bera saman við jörðina. Við höfum ekki mælt nema þrjár halastjörnur hingað til en það lagast vonandi á næstu árum. 

Í byrjun nóvember var mér boðið að sitja stutt málþing í Stokkhólmsháskóla um uppruna vatns á jörðinni. Þar voru samankomnir nokkrir af helstu sérfræðingum heims um þetta viðfangsefni, t.d. Karen Meech frá Hawaiiháskóla og Michael Drake frá Lunar and Planetary Laboratory. Mjög fróðlegt málþing. Í kjölfarið skrifaði ég þokkalega "lærða" grein  um uppruna vatns á jörðinni sem finna má hér (1,3 mb pdf skjal). Ég veit ekki til þess að skrifuð hafi verið ítarlegri grein um þetta á íslensku hingað til og vona að einhver hafi áhuga á að lesa hana.

Að því sögðu langar mig enn og aftur til að hrósa blogginu þínu. Mér finnst það alveg frábært. Það er hvalreki fyrir okkur vísindaáhugafólk að fá þessa pistla.

- Sævar Helgi Bragason

[Arnar, 11.1.2010 kl. 13:33]

Reyndar er vatn á Tunglinu, man engin eftir LCROSS?

Impact reveals lunar water by the bucketfull

[haraldur sigurdsson (IP-tala skráð) 11.1.2010 kl. 17:20]

Sævar Helgi hefur skrifað merkilega grein um uppruna vatnsins, sem hann vísar á, og þeg þakka fyrir. Ég hef einkum áhuga á niðurstöðum sem hann fjallar um varðandi D/H hlutfallið í vatni á jörðu og í halastjörnum. Það minnir mig á mikið fjaðrafok sem varð út af greinum eftir Louis Frank og félaga sem birtust uppúr 1981. Þeir töldu sig geta súnt fram á að mjög mikið vatn berst til jarðar dag hvern með litlum halastjörnum sem lenda á lofthjúp jarðar og demba vatni þar inn. Deilan varð hatrömm út af þessu, og svo ill að Frank hætti að stunda vísindin. Ég óska Stjörnufræðivefnum til hamingju með að hafa svona frábært efni eins og þar er að finna.

Það er alveg rétt hjá Arnari að tilraunin með LCROSS sýndi fram á að það er til vatn á tunglinu - áreksturinn sýndi fram á að það var amk. eitt hundrað lítrar af vatni á staðnum. Auðvitað er vatnið til þar -- frosið -- en hve mikið og er það vinnanlegt?

Takk fyrir

Haraldur