ODAKLE POTJEČU OCEANI NA ZEMLJI?

Trenutačno je u tijeku svemirski projekt u kojem svemirska letjelica putuje sa Zemlje prema Europi, Jupiterovu ledom prekrivenom mjesecu za koji stručnjaci smatraju da skriva globalni ocean koji je u mnogočemu sličan našem. Projekt se dobro uklapa u trendove istraživanja svemira, u kojima već desetljećima dominira potraga za vodom jer je, koliko znamo, voda nužna za život. S obzirom na to, može iznenaditi činjenica da stručnjaci do danas ne znaju kako je voda dospjela na naš vlastiti planet.

Godinama je najraširenija teorija bila da je voda na naš planet stigla na kometima. Ti smrznuti objekti koji kruže oko Sunca, često sa spektakularnim repom, nastali su na početku Sunčeva sustava i vjerojatno su doista donijeli vodu kada su padali na drevnu Zemlju. No posljednjih je godina nekoliko svemirskih letjelica izbliza istražilo komete i ustanovilo da se voda na njima kemijski ne podudara s našom.

Nakon toga su komete pomalo potisnute u drugi plan, rekao je Ashley King, istraživač meteorita u Prirodoslovnom muzeju u Londonu. Potom su asteroidi, koji su kamenitiji i bogatiji metalima od kometa, postali najpopularniji pretpostavljeni izvor vode. Asteroidi se u Zemlju zabijaju mnogo češće od kometa, a njihove zalihe vode (iako nisu tako goleme kao one kometa) mnogo su sličnije onima na našem planetu.

No i s asteroidima postoje problemi, a istodobno je sve više prostora dobivala radikalno nova ideja o podrijetlu vode. Pažljivim promatranjem planeta koji kruže oko drugih zvijezda te laboratorijskim pokusima stručnjaci su shvatili da kamenasti planeti slični Zemlji imaju svoj „način" da potpuno samostalno proizvedu vodu.

Kometi i asteroidi

Zemlja je nastala prije otprilike 4,54 milijarde godina. Iako je veći dio njezina najranijeg razdoblja zbog paklenih početnih uvjeta izgubljen u zaboravu povijesti, stručnjaci se slažu oko osnovnih činjenica: na početku je planet bio kugla koja se uglavnom sastojala od rastaljenih stijena. Kasnije je postao plavi mramor. No kako?

Komete su se isprva činile uvjerljivim odgovorom. Ledeni objekti iz Kuiperova pojasa iza Neptuna ili još dalje, iz Oortova oblaka, s vremena na vrijeme skrenu sa svoje putanje i zalutaju dublje u Sunčev sustav. A kada komet prođe dovoljno blizu Suncu, njegov led i smrznuti plinovi pretvaraju se u paru i stvaraju rep koji se može protezati na stotine milijuna kilometara.

Istraživači su smatrali da su se takvi kometi u prošlosti mogli zabiti u Zemlju i opskrbiti je vodom. No nitko nije mogao dokazati da komete sadrže vodu sličnu zemaljskoj, sve do 1980-ih, kada je Europska svemirska agencija (ESA) odlučila to provjeriti. Misija dubokog svemira nazvana Giotto bila je doista ambiciozna: bila je to prva letjelica koja je izbliza pregledala ledenu jezgru kometa.

Giotto je 1986. stigao do Halleyeva kometa, koji presijeca Zemljinu putanju otprilike svakih 76 godina. Sonda je uspjela poslati na Zemlju dramatične snimke jezgre kometa te mjerenja oblaka tvari oko njega. Istraživače je ponajviše zainteresirao takozvani omjer D/H koji je izmjerio Giotto. Voda na Zemlji gotovo se u cijelosti sastoji od dva atoma vodika i jednog atoma kisika. No postoje i drugi oblici vode, među njima teška voda, koja se sastoji od jednog atoma kisika i dva teža atoma vodika, deuterija.

Da su za nastanak oceana odgovorni kometi, očekivalo bi se da omjer deuterija i vodika u vodi na Halleyevu kometu bude sličan onome u vodi na Zemlji.

Devedesetih i dvijetisućitih godina pojavili su se dodatni problemi s teorijom o kometima, kada su spektroskopska promatranja drugih kometa, primjerice Hale–Boppa, također otkrila naznake teške vode. Posljednji udarac stigao je 2014., kada je ESA-ina svemirska sonda Rosetta stigla u orbitu oko kometa 67P/Čurjumov–Gerasimenko i na njegovu površinu poslala i lender. Rosetta je izvela dosad najpreciznija mjerenja sastava jednog kometa i utvrdila da on ima najvišu koncentraciju deuterija od svih istraživanih kometa.

Nakon toga se pojavila pretpostavka da, ako voda na Zemlji ne potječe od kometa, možda potječe od asteroida. Ti stjenoviti objekti uglavnom kruže između Marsa i Jupitera i neprestano se u obliku meteorita zabijaju u naš planet, iako većina njihove tvari izgori u atmosferi ili padne u ocean. Istraživači su prikupili desetke tisuća meteorita i ustanovili da su molekule vode u određenoj skupini vrlo slične onima na našem planetu. Za meteorit koji je 2021. pao u mirni britanski gradić Winchcombe dokazano je da se njegov omjer D/H gotovo savršeno podudara s onim koji obilježava Zemljine oceane.

Međutim, meteoriti se mogu onečistiti pri ulasku u atmosferu i udaru. Zato su istraživači poslali letjelice i do asteroida te prikupili materijal za analizu. U nekim su slučajevima ustanovili da i asteroidi koji se kreću svemirom sadrže vodu sličnu zemaljskoj. Studija objavljena 2023. otkrila je da voda s asteroida Ryugu, koji je japanska svemirska agencija posjetila 2018., ima omjer D/H sličan većini vode na Zemlji. Što se tiče podrijetla zemaljske vode, znanstvena zajednica danas daje prednost asteroidima pred kometima.

Ipak, omjer D/H asteroida nije dao konačan odgovor o podrijetlu zemaljske vode. Ove svemirske stijene sadrže i male količine plemenitih plinova poput argona, kriptona i ksenona, a stručnjaci su utvrdili da se te mješavine općenito ne podudaraju s onim što nalazimo na našem planetu. Povrh toga, teorije temeljene na kometima i asteroidima dijele isti temeljni problem: oba tipa objekata mogla su opskrbiti planet oceanima samo uz dosta sreće. Nakon faze superužarenog oceana magme u Zemlju se u kratkom roku moralo zabiti vrlo mnogo asteroida ili kometa kako bi nastao svijet prekriven vodom u kojem danas živimo. U prošlosti se to uzimalo zdravo za gotovo, no postojanje tog kasnog teškog bombardiranja danas je predmet žustrih rasprava u znanstvenoj zajednici.

Vodik i magma

Kada astronomi proučavaju egzoplanete, planete izvan našeg Sunčeva sustava, vide raznolike atmosfere. No kada simuliraju načine nastanka planeta, vide da su mnogi od njih u početku mogli biti prepuni vodika. Možda su i prve godine nastanka Zemlje bile slične?

Stručnjaci su prije vjerovali da je na ranoj Zemlji bilo jedva ikakva vodika. Do tog su zaključka došli nakon proučavanja meteorita čiji je kemijski sastav sumnjivo sličan Zemljinu. Zbog te sličnosti istraživači su smatrali da su se oba materijala vjerojatno oblikovala na isti način. A budući da ti meteoriti nisu sadržavali vodik, stručnjaci su mislili da isto vrijedi i za naš planet.

Zemljin ocean magme bio je pun kisika. U studiji objavljenoj 2023. tri su stručnjaka postavila pitanje što bi se dogodilo kad bi se vodik iz atmosfere planeta i kisik iz magme nekako pomiješali. Vodik se spontano ne veže na kisik, pa nije baš najprikladniji kemijski partner. Istraživači su ipak zaključili da bi takav proces omogućio planetu da proizvede vlastitu vodu; samo nisu bili sigurni koliko.

Dvije godine kasnije ambiciozna serija pokusa pomogla im je do bolje procjene; proveli su je Harrison Horn, fizičar u Nacionalnom laboratoriju Lawrence Livermore, S.-H. Dan Shim, geofizičar sa Sveučilišta Arizona State, i drugi.

Stručnjaci su, među ostalim, željeli saznati kako uobičajeni egzoplaneti manji od Neptuna, promjera od dva do četiri puta većeg od Zemljina, mogu imati atmosferu bogatu vodom, kako sugeriraju teleskopska promatranja, čak i kada kruže blizu svoje vruće matične zvijezde. Je li za to dovoljna reakcija između vodikove atmosfere i oceana magme? Sumnjali su da jest, ali samo ako golema količina vodika vrši dovoljan tlak na magmu. „Taj viši tlak uvelike pridonosi proizvodnji vode, zapravo pojačava kemijske reakcije", kaže Horn.

U tu su svrhu iznimno zapaljivi vodik morali izložiti intenzivnom tlaku pomoću takozvanih dijamantnih nakovnja, a zatim ga kombinirati s uzorcima stijena rastaljenima laserom. Trebalo im je pet godina da razviju tehnike potrebne za sigurno i učinkovito izvođenje pokusa. „Uništili smo mnogo dijamanata. Bilo je to uzbudljivo putovanje", kaže Shim.

Istraživači su se nadali da će vodik i kisik reagirati i stvoriti vodu. I upravo se to dogodilo, i to u ekstremnoj mjeri: reakcija vodika pod visokim tlakom i laserom rastaljene stijene bila je toliko učinkovita da je rezultirala više od tisuću puta većom količinom vode nego što su stručnjaci predviđali. (Druga studija, temeljena na laboratorijskom istraživanju i objavljena otprilike u isto vrijeme, također je izvijestila o sličnim rezultatima.) „Ne čini se nerazumnim da se na taj način prilično brzo može proizvesti golema količina vode", kaže Paul Byrne, planetolog sa Sveučilišta Washington.

No znači li to doista da je Zemlja sama stvorila svoje oceane? Tu stvari postaju malo zamršenije. Studija ne iznosi odlučne tvrdnje o Zemlji, ali taj je scenarij prema Hornu i Shimu apsolutno moguć.

Drugi se stručnjaci slažu da je na Zemlji mogla nastati određena količina vode, ali možda ni izbliza dovoljno da stvori oceane. „Rekao bih da je svakako moguće da je u ranim vremenima reakcijom s vodikom nastalo nešto vode. Koliko, to je prilično zagonetno", kaže Quentin Williams, eksperimentalni geofizičar sa Sveučilišta u Santa Cruzu.

Temeljni je problem to što nitko ne zna je li u ranoj Zemljinoj atmosferi bilo dovoljno vodika da se stvori tlak potreban za reakciju. Subneptuni imaju mnogo veću masu od Zemlje, a njihova snažna gravitacija bolje zadržava vodik. „Zemlja je upravo na granici na kojoj takvi procesi mogu započeti", kaže Horn.

Neki istraživači ne vjeruju da je Zemlja imala dovoljno mase da sama proizvede veće količine vode. „Pomalo sumnjam da bi to bilo moguće na planetu mase slične Zemljinoj", kaže Anders Johansen, astrofizičar sa Sveučilišta u Kopenhagenu i Sveučilišta Lund. Prema Byrneu, međutim, istraživanja subneptuna upućuju na to da reakcija ne mora dugo trajati da bi rezultirala golemom količinom vode. Možda je Zemlja samo trenutak bila tvornica vode, ali taj je trenutak mogao biti dovoljan za nastanak oceana.

Ako je tako, posljedice sežu daleko izvan našeg Sunčeva sustava. Možda bezbroj planeta ispunjava uvjet koji bi mogao biti potreban za nastanak života jer se, kako je rekao Byrne, „rađaju bogati vodom".

More mogućnosti

Moguće je dakle da barem dio Zemljine vode potječe iz procesa koji su se odvijali na samom planetu. No to nije kraj priče: kometi su se u međuvremenu ponovno vratili u igru. Dok se Rosetta 2014. susrela s kometom 67P/Čurjumov–Gerasimenko u obliku gumene patkice, istraživači su već proučavali vodu s 11 drugih kometa. Svi su imali omjer D/H različit od Zemljina, osim jednog. ESA-in svemirski opservatorij Herschel utvrdio je 2011. da voda na kometu Hartley 2 ima svojstva karakteristična za Zemlju.

Opažanje se činilo anomalijom. Zatim su u istraživanju objavljenom 2024. stručnjaci ponovno pregledali analizu Rosettina kometa i utvrdili da je svemir možda „krivotvorio" podatke. U vrijeme uzorkovanja Rosetta je preletjela kroz prašinu koja je sadržavala tešku vodu. Sama ledena jezgra kometa, koju je ta prašina okruživala, zapravo je bila prilično slična zemaljskom ledu. Zatim je u radu objavljenom 2025., u vezi s promatranjima kometa 12P/Pons–Brooks, također uočen omjer D/H karakterističan za Zemljine oceane.

Dio istraživača sada smatra da su sva tri procesa mogla pridonijeti rezultatu, ali što se točno dogodilo, možda nikada nećemo saznati. Što ne znači da su stručnjaci odustali od odgovora na to pitanje, koje je osim Zemljine prošlosti i jedna od najtemeljnijih tajni našeg vlastitog postojanja.