maanantai 15. joulukuuta 2014

Mistä vesi maapallolle?

Vesi maapallolle ei tullut 67P-komeetan kaltaisten kappaleiden
mukana. Kuva ESA.
Rosetta-luotaimen ROSINA -laitteiston[1] tekemät mittaukset komeetta 67P/Churyumov-Gerasimenko’sta osoittavat, että sen sisältämä vesi poikkeaa maapallon vedestä merkittävästi. Vedyn isotooppien D (deuterium) ja H (vety)[2] keskinäinen suhde (D/H)[3] oli kolminkertainen maapallon veteen[4] verrattuna. Tämä sulkee pois sen mahdollisuuden, että vesi maapallolle olisi tullut Jupiterin perheen tai Oortin pilven komeetoista.

Maapallolle vesi on tullut vasta noin puolimiljardia vuotta planeettamme syntymisen jälkeen. Tarkkaavainen lukija saattaa tässä vaiheessa kysyä, että mitä sitten on tapahtunut vedelle, joka oli mukana siinä materiassa mistä planeettamme on syntynyt?

 Kysymys on oikeutettu ja vaati vastauksen. Tämä ensimmäinen vesi on suurimmaksi osaksi haihtunut tai hajonnut vedyksi ja hapeksi johtuen maapallon sulamisesta kokonaan syntynsä jälkeen. Kiviaineksen sulaminen on tapahtunut viimeistään siinä vaiheessa kun pienen planeetan kokoinen kappale törmäsi protomaapalloon ja sen seurauksen syntyi Kuu. Kuusta tiedämme sen olevan erittäin kuiva paikka ja niin on ollut myös törmäyksen jälkeinen sulassa tilassa ollut maapallo.

Aurinkokunnan historia tunnetaan pääpiirteissään. Tiedämme, että noin 200 miljoona vuoden kuluttua maapallon synnystä planeettaamme ja kaikkiin aurinkokuntamme planeettoihin kohdistui suurena asteroidipommituksena tunnettu ja noin 500 miljoona vuotta kestänyt ajanjakso, jonka kuluessa myös maapallo sai vetensä. Mistä pommituksen aikaiset vesipitoiset komeetat ja asteroidit olivat peräisin? Vaihtoehtoja on kolme: Oortin pilvestä, Kuiperin vyöstä tai pääasteroidivyöhykkeeltä.

Kuiperin vyö ja oortin pilvi. Kuva ESA.
Oortinpilven komeettojen D/H-isotooppisuhde on moninkertainen maapallon veden vastaavaan verrattuna. Näin ollen vesi ei voi olla peräisin Oortin pilvestä tulleista komeetoista. Kuiperin vyö kappaleiden D/H suhde on vielä korkeampi ja se merkitsee sitä, että Kuiperin vyön komeetat ovat syntyneet suunnilleen nykyisellä etäisyydellä Auringosta mutta Oortin pilven komeetat ovat muodostuneet Kuiperin vyön komeettaoja lähempänä nykyisellä Uranus–Neptunus-planeettojen ratojen tuntumassa. Nykyisen käsityksen mukaan Oortin pilven komeetat ovatkin sinkoutuneet nykyiselle paikalleen suurten planeettojen syntynsä jälkeisen paikan etsiskelyn aikana[5].

Komeetta 67P:n on ajateltu syntyneen Kuiperin vyössä, mutta joutuneen Jupiterin aiheuttamien gravitaatiohäiriöiden vuoksi pois alkuperäiseltä radaltaan ja päätyneen monien ratamuutosten jälkeen lopulta noin 6,5 vuoden mittaiselle radalle Jupiterin vaikutuspiiriin. Radan kaukaisin piste (apheli) on hyvin lähellä Jupiterin rataa ja Aurinkoa lähin radan piste (periheli) on Marsin ja Maan ratojen välissä.

Mitatut D/H-suhteet. Kuva ESA.
Toistaiseksi vain yhdentoista komeetan D/H-suhde on mitattu. Näistä yllättäen Jupiterin perheen komeetan 103P/Hartley 2:n D/H-suhde on suunnilleen sama kuin maapallolla. Sen sijaan lukuisien meteoriittien, joiden alkuperä on pääasteroidivyöhykkeellä, D/H-suhteet ovat samoja kuin Maassa olevan veden. Pääasteroidivyöhykkeen kappaleiden vesipitoisuus on kuitenkin pieni, mutta se korvaantuu helposti niiden suurella lukumäärällä.

Onko tämä koko totuus maapallon veden alkuperästä? Tuskin, Rosetta jatkaa havaintojaan ja niin tehdään ympäri maapallon. Näiden kolmen (asteroidit ja komeetat) vesilähteen lisäksi maapallolla voi olla jonkin pieni määrä säilynyt alkuperäistä protoplaneetan syntyajoilta olevaa vettä. Lisäksi Auringosta tuleva aurinkotuuli koostuu suurelta osin protoneista, joten osa siitä päätyy väistämättä myös maapallolle, ja jossa siitä tulee vettä protonien yhtyessä happeen. Tosin aurinkotuuli rapauttaa samaan aikaan maapallon ilmakehää vieden mukanaan lähinnä vetyä, joten tase näiden kahden ilmiön välillä lienee kuta kuinkin tasapainossa (tai jopa hieman rapautumisen puolella). Maapallon vesi on varmasti sekoitus kaikista näistä lähteistä tulleesta vedestä ja joiden sekoitussuhteet saadaan selville tutkimuksen jatkuessa.

Huomautukset


[1] Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis (ROSINA).

[2] Vedyllä tunnetaan kolme eri isotooppimuotoa: tavallisin niistä on vety (H), jonka atomiytimessä on vain yksi protoni. Seuraavaksi yleisin isotooppi on deuterium (D), jonka ytimessä on protonin lisäksi yksi neutroni. Kolmas isotooppi on tritium (T) jossa protonin lisäksi on kaksi neutronia.

[3] Isotooppien suhde määräytyy ainepilven lämpötilasta sen tiivistyessä. Mitä korkeampi lämpötila sitä enemmän kevyempiä isotooppimuotoja ainemäärässä on edustettuna. Näin ollen korkea D/H suhde merkitsee sitä, että komeettojen vesi on syntynyt kylmemmissä olosuhteissa kuin se vei joka on päätynyt maapallolle.

[4] Maapallon veden D/H suhde on 1,56×10-4 ja komeetta 67P/Churyumov–Gerasimenko’n vastaava suhde on 5,3×10-4.


[5] Suuret planeetat Jupiterista Neptunukseen eivät ole syntyneet nykyisillä paikoillaan, vaan ovat vaeltaneet ainakin jonkin verran. Jupiter syntyi nykyistä kauempana ja on sen jälkeen vaeltanut hieman lähemmäksi Aurinkoa. Saturnus on mitä ilmeisimmin puolestaan vaeltanut hieman kauemmaksi. Hurjimmat siirtymiset on tapahtunut Uranukselle ja Neptunukselle. Ne ovat eräiden tutkijoiden mukaan jopa vaihtaneet paikkaa keskenään.