Odkud se vzala příroda? Původ vody na Zemi

Původ vody, kterou obsahují oceány a která po věky dává život naší planetě, je ovšem překvapivě předmětem velké vědecké debaty. Voda, nezbytná pro život, pokrývá sedmdesát procent zemského povrchu. Někteří badatelé tvrdí, že voda je v nějaké formě v našem světě přítomna od té doby, co před 4,5 miliardami let vznikl z vířících oblaků prachu a plynů. Říkají, že na počátku byla Země vyprahlá, bez vody a že se oceány objevily až mnohem později, když na Zemi pršel led a voda z mimozemských zdrojů.

Nyní skupina britských vědců zveřejnila důkaz, který podporuje teorii, že počátky našich oceánů vznikaly mimo tento svět. Studovali zrnka materiálu nalezená na asteroidu nazvaném 25143 Itokawa, která na Zemi dopravila japonská robotická sonda. „Prach, který jsme studovali, poskytuje jasný důkaz, že naše oceány byly vytvořeny z vody, která pocházela z jiných částí sluneční soustavy,“ uvedl Luke Daly z University of Glasgow.

Daly a jeho kolegové použili ke zkoumání zrnek prachu z asteroidu 25143 Itokawa atomovou sondovou tomografii. Tato pozoruhodná technologie umožňuje vědcům ve vzorku zkoumat jednotlivé atomy. Tato voda byla podle článku publikovaného v magazínu Nature Astronomy s největší pravděpodobností vytvořena solární bouří či větrem, proudem částic, které vycházejí ze Slunce. Když pak Země obíhala kolem Slunce, prohnala se těmito mraky a zachytila prachová zrnka a s nimi i „jejich“ vodu.

Tímto způsobem se voda, hybná síla veškeré přírody na Zemi, odfiltrovávala z vesmíru na naši planetu. Důležitý poznatek je, že by tuto vodu logicky měla zachycovat i ostatní tělesa obíhající kolem Slunce. Na Zemi se malé úlomky křemičitanu již dávno rozpadly, ale na asteroidu 25143 Itokawa, který nemá atmosféru, a tím pádem na něm není vzduch, budou nerušeně ležet ještě další miliardy let. Vědci z University of Glasgow si nemyslí, že všechna voda v našich oceánech pochází z prachových zrnek. Neméně důležité množství vody prý poskytl Zemi led z komet a asteroidů, které se na ní během věků zřítily. Kombinace těchto dvou zdrojů dala vzniknout oceánům, ve kterých zase na Zemi vznikl život.

Led z komet a asteroidů obsahuje ve srovnání s vodou na Zemi relativně vysoké množství deuteria (jednoho z izotopů vodíku), zatímco sluneční prach má hladiny deuteria relativně nízké. Tento objev je důležitý nejen proto, že poskytuje přesvědčivé důkazy o původu vody na Zemi. Naznačuje také, že by i jiné světy ve sluneční soustavě mohly mít na svém povrchu vodu, byť ve formě ledu. To je důležité pro budoucí průzkum vesmíru a hledání života jinde v naší galaxii. Pro pozdější cestování vesmírem by tedy nebylo nutné přepravovat s sebou vodu, ale mělo by být možné získat ji na zastávkách cestou. Předpokládá se, že jedno ložisko ledu se vytvořilo v kráteru Shackleton poblíž jižního pólu našeho Měsíce a je cílem NASA a její mise Artemis.

Čtěte také: Proč je příroda největší luxus?

Alternativní teorie původu vody

Podle obecně přijímané hypotézy dopravily vodu na Zemi komety a asteroidy, které před miliardami let naši planetu doslova bombardovaly. Nová analýza hornin přivezených z Měsíce během amerického programu pilotovaných letů Apollo, však naznačuje, že to mohlo být jinak. „Buď se pradávná Země zrodila už s vodou, kterou tady máme, nebo nás muselo zasáhnout něco, co bylo v podstatě jen čistou H2O a nic jiného v ní nebylo,“ cituje časopis Science Alert kosmického chemika Grega Brennecka.

Měsíc se může zdát zvláštním místem pro hledání zemské vody. Je prašný a suchý. Vznikl poté, co do mladé Země před 4,5 miliardy let narazila protoplaneta Theia o velikosti Marsu. Povrchový materiál obou těles byl vymrštěn do vesmíru. Na Zemi nejsou vzpomínky na tuto srážku příliš patrné, zato na Měsíci přetrvaly. Vědci ve snaze porozumět systému Země-Měsíc nedávno zkoumali tří měsíční vzorky, které vykrystalizovaly v období před 4,3 až 4,35 miliardy let. Analyzovali dva izotopy: těkavý a radioaktivní izotop rubidium-87 (87Rb) a izotop, na který se 87Rb rozpadá, tedy stroncium-87 (87Sr).

Množství izotopů v lunárních kamenech naznačilo, že na prehistorické Zemi bylo málo izotopů rubidia-87, a pradávná Země tak o většinu svých těkavých prvků (jako je voda) přišla v průběhu svého zrodu. Dosud se přitom mělo za to, že tyto těkavé prvky ze Země dostala až srážka s planetou Theia. Poměry izotopů ale naznačují, že na prapůvodní Zemi většina těkavých prvků vyprchala před srážkou s Theiou. Tento scénář se odpovídá závěrům výzkumu vědců Washingtonovy univerzity v americkém St. Louis a Lotrinské univerzity ve francouzském Nancy, kteří už dříve upozornili, že meteority, dosud považované za suché, obsahují překvapivě vysoký podíl vodnatých minerálů.

Jak ale naše planeta mohla vzniknout s vodou? Ze současných poznatků vyplývá, že voda je ‚zakleta‘ do základních stavebních kamenů sluneční soustavy. Vznikalo tím velké množství tepla, které uvolnilo vodu z vodnatých minerálů. Většina vody potom unikala do okolního vesmíru. Hypotéza, že Země se zrodila ‚mokrá‘, kterou vědci v nové studii předkládají, se nevylučuje s tím, že část vody později na Zemi dopravily také komety. Teorie mokrého vzniku nejen Země, ale i dalších planet, může mít zajímavé důsledky. Voda pokrývá tři čtvrtiny povrchu Země a při pohledu z vesmíru jí dává její charakteristickou modrou barvu.

Vliv hvězdného větru na vznik vody

Nový výzkum týmu profesora Civiše z Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR odhaluje možný zdroj vody na Zemi. Ta mohla vzniknout na povrchu meteoritů bombardováním hvězdným (a v našem případě také slunečním) větrem. Příspěvek hvězdného větru ke vzniku vody na povrchu tzv. Vědci se již dlouhou dobu snaží zjistit, jakým způsobem vznikla nebo jak se dostala voda na planetu Zemi. Zda se tak stalo již při formování Sluneční soustavy nebo až později - třeba prostřednictvím dopadu těles v době Velkého pozdního bombardování asteroidů, které do Země narážely.

Čtěte také: Krásy argentinské provincie

Vědecký tým přichází s novými poznatky o původu vody na Zemi a v jiných částech vesmíru. Pomocí infračervené spektrometrie a metody teplotně programované desorpce (TPD) bylo zjištěno, že bombardování kyslíkatých minerálů atomy vodíku vede k tvorbě molekul vody, které se pevně vážou na povrchu minerálů. Tyto molekuly zůstávají stabilní i při velmi nízkých tlacích (10⁻⁹ Torr) a odolávají vysokým teplotám, což umožňuje jejich dlouhodobé udržení a transport na velké vzdálenosti vesmírem. Výzkum zahrnoval 14 vzorků kyslíkatých minerálů, včetně dvou meteoritů, a ukázal, že adsorpční kapacita vody se pohybuje mezi 0,09 a 0,7 %. Tyto hodnoty naznačují, že pevný materiál doručený na Zemi během období pozdního velkého bombardování - odhadované na 10¹⁹ až 10²⁰ kg - by mohl přispět k množství vody, které nyní tvoří oceány. Tato hypotéza podporuje teorii, že původ vody může souviset s procesy na povrchu prachových zrn a minerálů vystavených kosmickému záření.

Prof. Vznik vody a života ve vesmíru vás jako fyzikálního chemika fascinuje již dlouho. Nedávno vám na dané téma vyšel článek v prestižním časopise Astrophysical Journal. Dlouhá léta se zabývám studiem polovodičových materiálů. Celá řada z nich se vyskytuje v podobě minerálů na Zemi i na planetách, včetně meteoritů, a často v hojné míře. Fascinují mě vlastnosti daných materiálů a jejich přesah, funkce v přírodě kolem nás i mimo naši planetu. Nejprve se jednalo o výměnu kyslíku mezi pevnými oxidy kovů a oxidem uhličitým, poté o metanogenezi, kdy dochází v kyselém prostředí k redukci oxidu uhličitého na metan. A nyní je to interakce hvězdného větru s kyslíkovými atomy vázanými v minerálech za následného vzniku vody.

Izotopické zastoupení vodíku a původ vody

Zjistit původ vody na Zemi je pro vědce velice důležité. O původu vody na Zemi existuje řada teorií. Podle jedné z nich se na naší planetě vyskytuje od počátku, tedy od formování Sluneční soustavy z protoplanetárního disku. Odpůrci zmíněné teorie však argumentují, že zhruba před čtyřmi miliardami let došlo k oddělení tělesa Měsíce od Země po impaktu asteroidu o velikosti Marsu. A představa, že voda na naší planetě setrvala i přes obrovské teploty při popsané srážce, je málo pravděpodobná.

Náš výzkum a pátrání stavějí na principu izotopického zastoupení vodíku - ať už těžkého, či lehkého - v různých vesmírných materiálech. Dokážeme zkoumat vesmírná tělesa na základě izotopického poměru těžké vody, respektive deuteria (D), a vodíku (H). Platí obecná rovnice izotopické rovnováhy mezi HD molekulou a vodou, z níž vyplývá, že čím nižší teplota v prostoru, odkud objekt přichází, tím větší zastoupení deuteria. Přichází-li objekt naopak z teplejších oblastí vesmíru, třeba z blízkosti Slunce, má voda mnohem větší zastoupení vodíku oproti deuteriu.

Než se však voda dostala na Zemi, musela nějakým způsobem ve vesmíru vzniknout. Voda může vznikat řadou způsobů. Ve vesmírných molekulárních plynových mračnech převažují iontové procesy, ve hvězdách za vysokých teplot převládá rozklad na atomy a jejich následné slučování mezi sebou. Několik sekund po Velkém třesku se jako první v gluon-kvarkovém plazmatu objevily atomy vodíku. Ale jak všichni víme, ke vzniku vody potřebuje vodík jako partnera kyslík, který je však produktem termonukleárních reakcí ve hvězdách. Jenže první hvězdy vznikly až čtyři sta milionů let po Velkém třesku. Poté musely projít početnými procesy vzniku a zániku, při nichž se teprve utvořily těžší prvky, včetně kyslíku.

Čtěte také: Přečtěte si recenzi knihy Kniha, obraz a příroda

Asi nejstarší důkazy získala observatoř ALMA, měřící v mikrovlnné a milimetrové spektrální oblasti. Jedná se o astronomická data z galaxie SPT0346-52, která prošla mimořádným obdobím intenzivní tvorby hvězd. Dělí ji od nás 12,7 miliar­dy světelných let, takže ji pozorujeme přibližně miliardu roků po Velkém třesku.

Voda ve Sluneční soustavě

Ve Sluneční soustavě se v obyvatelné zóně, kde se může vyskytovat kapalná voda umožňující existenci života, nacházely původně tři planety - Venuše, Mars a Země. První z nich má velmi hustou atmosféru, sestávající převážně z oxidu uhličitého coby skleníkového plynu. Na tamním povrchu panuje devadesátkrát větší tlak než na Zemi a teplota se pohybuje okolo 460 stupňů. Otázka, zda voda na Venuši za popsaných podmínek existuje a v jakém skupenství, zůstává otevřená a diskutabilní. Na povrchu Marsu pak vidíme dokonce stopy po říčních korytech, takže tam voda kdysi zřejmě tekla, a to v poměrně velkém množství.

Země si na rozdíl od Marsu a naštěstí pro nás životodárnou tekutinu udržela. Jak už bylo řečeno, jednou z možností je sledovat izotopické zastoupení ve vodě přicházející z odlišných oblastí vesmíru, tedy v meteoritech či různých minerálech. Můžeme v nich měřit poměr deuteria a vodíku. Pokud takto prozkoumáme jakoukoliv vodu na Zemi, dojdeme vždy ke stejnému výsledku, a sice že na každých deset tisíc molekul vody připadá jedna molekula vody těžké.

Studií týkajících se poměru deuteria a vodíku existuje celá řada. Víme, že asi před 3,8 miliardy let nastalo takzvané velké pozdní bombardování, kdy naše planeta čelila velice četným dopadům těles z vesmíru. Právě této těžké fázi její existence možná vděčíme za vznik života, a s největší pravděpodobností i za vodu v oceánech. Předpokládá se, že v uvedeném období zasáhlo rané terestrické planety ve vnitřní Sluneční soustavě poměrně velké množství asteroidů a pozůstatkem popsaných událostí se stal také Měsíc. Jeho povrch téměř kompletně pokrývají dopadové krátery a lze přitom usuzovat, že stejný či ještě větší počet těles zasáhl i rozměrnější Zemi.

Existuje tedy odhad, kolik materiálu se při velkém pozdním bombardování na Měsíc dostalo. Na základě našich předchozích laboratorních experimentů lze jednoduchým způsobem spočítat, kolik kilogramů impaktů musí na Zemi dopadnout, aby se naplnily všechny oceány. Samozřejmě musíme znát procento vody navázané na povrch takových těles. Z našich měření vycházelo, že v průměru bychom v rámci jednotlivých minerálů potřebovali přibližně 9,2 × 10¹⁹ kilogramů. Ano, náš výsledek se shoduje s množstvím vody na Zemi.

Prof. RNDr. Svatopluk Civiš, DSc. Absolvoval Přírodovědeckou fakultu Univerzity Karlovy, obor chemie. Od roku 1990 působí na Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského Akademie věd, kde vedl Oddělení spektroskopie. Po návratu začal na Ústavu fyzikální chemie rozvíjet laboratorní techniky spektroskopie vysokého rozlišení. Jeho současná vědecká činnost se zaměřuje především na aplikace využívající experimentální techniky spektroskopie s Fourierovou transformací ve spojení s lasery. Je autorem více než 200 publikací a řešitelem či spoluřešitelem více než 20 mezinárodních i českých grantů.

tags: #kde #se #vzala #příroda

Oblíbené příspěvky:

• Odpadkový koš válcového tvaru
• Boj proti znečištění ovzduší ve městech
• Hukvaldy: Aktuální stav ovzduší
• Ochrana životního prostředí
• Hraní v přírodě a zdraví dětí