Da dove viene l'oceano globale della Terra? Un team di geoscienziati dell'Arizona State University guidato da Peter Buseck, Regents' Professor nella School of Earth and Space Exploration (SESE) e nella School of Molecular Sciences dell'ASU, ha trovato risposta in una fonte precedentemente trascurata. Il team ha anche scoperto che il nostro pianeta contiene molto più idrogeno, un proxy per l'acqua, di quanto gli scienziati pensassero in precedenza.

Allora dov'è? Per lo più giù nel nucleo del nostro pianeta, ma ne parleremo più in un minuto. La domanda più grande è da dove viene tutto questo in primo luogo.

"Le comete contengono molto ghiaccio, e in teoria avrebbe potuto fornire dell'acqua, "dice Steven Desch, professore di astrofisica al SESE e uno degli scienziati del team. asteroidi, Aggiunge, sono anche una fonte, non così ricco d'acqua ma ancora abbondante.

"Ma c'è un altro modo di pensare alle fonti d'acqua nei giorni formativi del sistema solare, " spiega Desch. "Poiché l'acqua è idrogeno più ossigeno, e l'ossigeno è abbondante, qualsiasi fonte di idrogeno avrebbe potuto servire come origine dell'acqua terrestre".

All'inizio

Il gas idrogeno era l'ingrediente principale della nebulosa solare, i gas e la polvere da cui si sono formati il ​​Sole e i pianeti. Se l'abbondante idrogeno nella nebulosa potesse combinarsi con il materiale roccioso terrestre mentre si è formato, questa potrebbe essere l'origine ultima dell'oceano globale della Terra.

giugno Wu, l'autore principale del documento che il team ha pubblicato nel Giornale di ricerca geofisica , è professore assistente di ricerca sia alla SESE che alla School of Molecular Sciences. Lui dice, "La nebulosa solare ha ricevuto la minima attenzione tra le teorie esistenti, sebbene fosse il principale serbatoio di idrogeno nel nostro primo sistema solare".

Ma prima, qualche lavoro investigativo geochimico.

Per distinguere le fonti d'acqua, gli scienziati si rivolgono alla chimica degli isotopi, misurare il rapporto tra due tipi di idrogeno. Quasi tutti gli atomi di idrogeno hanno un nucleo formato da un singolo protone. Ma in circa uno su 7, 000 atomi di idrogeno, il nucleo ha un neutrone oltre al protone. Questo isotopo è chiamato "idrogeno pesante, "o deuterio, simboleggiato come D.

Il rapporto tra il numero di atomi D e gli atomi di H ordinari è chiamato rapporto D/H, e funge da impronta digitale per la provenienza dell'idrogeno. Per esempio, l'acqua asteroidale ha un D/H di circa 140 parti per milione (ppm), mentre l'acqua della cometa scorre più in alto, che vanno da 150 ppm fino a 300 ppm.

Gli scienziati sanno che la Terra ha un oceano d'acqua globale sulla sua superficie e circa altri due oceani d'acqua disciolti nelle rocce del suo mantello. Che l'acqua ha un rapporto D/H di circa 150 ppm, rendendo una fonte di asteroidi una buona corrispondenza.

Comete? Con i loro rapporti D/H più elevati, le comete per lo più non sono buone fonti. E quel che è peggio, il D/H del gas idrogeno nella nebulosa solare era solo 21 ppm, troppo basso per fornire grandi quantità di acqua terrestre. Infatti, il materiale asteroidale è una corrispondenza così buona che i ricercatori precedenti hanno scartato le altre fonti.

Ma, dire Wu e collaboratori, altri fattori e processi hanno modificato il D/H dell'idrogeno terrestre, a partire da quando il pianeta stava iniziando a formarsi. Wu dice, "Ciò significa che non dovremmo ignorare il gas disciolto della nebulosa solare".

Concentrazione di idrogeno

La chiave sta in un processo che combina fisica e geochimica, che il team ha scoperto ha agito per concentrare l'idrogeno nel nucleo aumentando la quantità relativa di deuterio nel mantello terrestre.

Il processo è iniziato abbastanza presto quando i pianeti del Sole stavano iniziando a formarsi e crescere attraverso la fusione di elementi costitutivi primitivi chiamati embrioni planetari. Questi oggetti di dimensioni da Luna a Marte sono cresciuti molto rapidamente nel primo sistema solare, collisione e accumulo di materiale dalla nebulosa solare.

All'interno degli embrioni, elementi radioattivi in ​​decomposizione ferro fuso, che afferrò l'idrogeno asteroidale e affondò per formare un nucleo. L'embrione più grande ha sperimentato l'energia di collisione che ha sciolto la sua intera superficie, creando quello che gli scienziati chiamano un oceano di magma. Il ferro fuso nel magma ha strappato l'idrogeno dall'atmosfera primitiva in via di sviluppo, che deriva dalla nebulosa solare. Il ferro trasportava questo idrogeno, insieme all'idrogeno da altre fonti, giù nel mantello dell'embrione. Alla fine l'idrogeno si è concentrato nel nucleo dell'embrione.

Nel frattempo era in corso un altro importante processo tra il ferro fuso e l'idrogeno. Gli atomi di deuterio (D) non amano il ferro tanto quanto le loro controparti H, provocando così un leggero arricchimento di H nel ferro fuso e lasciando relativamente più D nel magma. In questo modo, il nucleo ha sviluppato gradualmente un rapporto D/H inferiore rispetto al mantello di silicato, che si è formato dopo che l'oceano di magma si è raffreddato.

Tutto questo era la prima fase.

La seconda fase è seguita quando gli embrioni si sono scontrati e si sono fusi per diventare la proto-Terra. Ancora una volta in superficie si sviluppò un oceano di magma, e ancora una volta, ferro e idrogeno rimanenti potrebbero aver subito processi simili a quelli della prima fase, completando così la consegna dei due elementi al nucleo della proto-Terra.

Wu aggiunge, "Oltre all'idrogeno che gli embrioni hanno catturato, ci aspettiamo che abbiano anche catturato del carbonio, azoto, e gas nobili dalla prima nebulosa solare. Questi avrebbero dovuto lasciare tracce di isotopi nella chimica delle rocce più profonde, che possiamo cercare».

Il team ha modellato il processo e ha verificato le sue previsioni rispetto a campioni di rocce del mantello, che sono rari oggi sulla superficie terrestre.

"Abbiamo calcolato quanto idrogeno disciolto nei mantelli di questi corpi potrebbe essere finito nei loro nuclei, ", afferma Desch. "Quindi abbiamo confrontato questo con le recenti misurazioni del rapporto D/H in campioni provenienti dal mantello profondo della Terra".

"Il risultato finale, "dice Desch, "è che la Terra probabilmente si è formata con sette o otto oceani globali di idrogeno. La maggior parte di questo in effetti proveniva da fonti asteroidali. Ma pochi decimi di idrogeno di un oceano provenivano dal gas della nebulosa solare".

Sommando le quantità memorizzate nella cache in più punti, Wu dice, "Il nostro pianeta nasconde la maggior parte del suo idrogeno al suo interno, con circa due oceani globali nel mantello, quattro o cinque nel nucleo, ed ovviamente, un oceano globale in superficie."

Non solo per il nostro sistema solare

Il nuovo ritrovamento, dice la squadra, si adatta perfettamente alle teorie attuali su come si sono formati il ​​Sole e i pianeti. Ha anche implicazioni per i pianeti abitabili oltre il sistema solare. Gli astronomi hanno scoperto più di 3, 800 pianeti in orbita attorno ad altre stelle, e molti sembrano corpi rocciosi non molto diversi dai nostri.

Molti di questi esopianeti potrebbero essersi formati lontano dalle zone in cui potrebbero essersi formati asteroidi ricchi di acqua e altri elementi costitutivi. Eppure avrebbero ancora potuto raccogliere gas idrogeno dalle nebulose solari delle loro stesse stelle nel modo in cui ha fatto la Terra.

La squadra conclude, "I nostri risultati suggeriscono che la formazione di acqua è probabilmente inevitabile su pianeti rocciosi sufficientemente grandi nei sistemi extrasolari".