Je leest:

Water op aarde is niet zo logisch als het lijkt

Water op aarde is niet zo logisch als het lijkt

Auteurs: en | 23 september 2020

Op aarde klotst het van het water, en dat is opmerkelijk voor een planeet die zo dicht bij de zon ontstond. Hoe werd de aarde zo’n waterrijke plek waar leven zich in uitgestrekte oceanen ontwikkelde? Ruimtestenen geven wellicht antwoord.

De Stille Oceaan, één vlakte van water.
Google Earth

Met reusachtige telescopen turen wetenschappers diep de ruimte in op zoek naar planeten rondom andere sterren. Planeten die misschien wel een beetje op aarde lijken, en hopelijk zelfs een teken van leven geven. Een spoor van water wordt daarbij vaak opgevat als een hoopvol signaal, want op aarde was dat essentieel voor de ontwikkeling van leven.

Maar hoe ontstaat een planeet met vloeibaar water eigenlijk? Een lastige kwestie die zelfs voor de aarde nog niet is opgelost. Het probleem in het kort: de aarde is ontstaan binnen de zogenoemde sneeuwgrens van het zonnestelsel, waar het water niet bevroren, maar gasvormig is. En dus ook heel vluchtig – je bent het zo kwijt. De jonge aarde was volgens veel wetenschappers nog niet ‘sterk’ genoeg om het gasvormige water met zijn zwaartekracht vast te houden. Dus waar komt het water op aarde dan vandaan? Daarvoor zijn verschillende scenario’s geopperd, van water dat (later) uit het gesteente kwam waaruit de aarde ontstond, tot ‘waterdragers’, zoals planetoïden en kometen, die het water in een later stadium op de aarde afleverden.

Geen van die theorieën is waterdicht. Uit metingen van ruimtesondes weten we dat het water op planetoïden en kometen fundamenteel anders is dan dat van onze oceanen. Waar planetoïden brokken van voornamelijk steen zijn die in een baan om de zon draaien, bevatten kometen relatief veel water en andere vluchtige stoffen die door zonnewarmte een imposante komeetstaart kunnen vormen. Het ‘water-van-ver-weg’ bevat veel meer deuterium – een zogeheten isotoop van waterstof, waarover later meer – dan het water op aarde. Tegelijkertijd namen wetenschappers aan dat het directe bouwmateriaal van planeet aarde veel te weinig waterstof bevatte om onze grote oceanen te verklaren. Maar waar komt het dan wel vandaan?

Amerikaanse en Franse wetenschappers komen nu met aanwijzingen dat onze planeet juist wél van waterrijk gesteente is gemaakt. Eind vorige maand publiceerden ze hun onderzoek waaruit blijkt dat meteorieten van het type enstatiet chrondrieten – waaruit de aarde voor een belangrijk samenklonterde – genoeg waterstof bevatten voor nog veel meer water dan de vijf oceanen die we op aarde tellen.

Verschillende verklaringen voor het water op aarde. Zo kan het oorspronkelijk afkomstig zijn uit het gesteente waaruit de aarde ontstond, zoals zogenoemde enstatiet chondrieten of chondrieten (boven). Andere theorieën gaan uit van een ‘latere bezorging’ van water door planetoïden of kometen toen de planeet al grotendeels gevormd was (beneden). In het midden is ál het water op aarde afgebeeld als je het in een bol stopt.
Roel van der Heijden voor NEMO Kennislink (Didier Descouens/H. Raab/Jack Cook/Adam Nieman/Woods Hole Oceanographic Institution/Howard Perlman/USGS/NASA/JPL-Caltech/Goddard/University of Arizona/ESA/Rosetta/NAVCAM/CHENXIN/pngtree)

Waterrijke meteorieten

Een (doorgesneden) enstatiet chondriet-meteoriet die in 1997 in de Sahara-woestijn is gevallen. Het materiaal van deze meteorieten komt wat betreft de verhouding isotopen overeen met de aardmantel. Wetenschappers vermoeden daarom met dit soort meteorieten een stukje aards ‘oermateriaal’ in handen te hebben.

Wat is er precies gemeten in dat Amerikaans-Franse onderzoek? De wetenschappers keken minutieus naar de samenstelling van dertien enstatiet chondriet-meteorieten, brokken ruimtepuin van steen en glasachtig materiaal die op aarde zijn neergestort en hun gewelddadige tocht door de atmosfeer overleefden. De onderzoekers vonden daarin hoge concentraties van waterstof (symbool H), het atoom dat naast zuurstof (symbool O) nodig is om water (H20) te vormen. Hoog genoeg om een veelvoud van de huidige hoeveelheid water op aarde te verklaren.

Naast de hoeveelheid waterstof onderzochten de wetenschappers ook de verhouding tussen het aanwezige waterstof en deuterium (D), een isotoop van het waterstofatoom dat naast een proton ook nog een neutron in de kern heeft. Een isotoop is een soort variant van een atoom die wat betreft eigenschappen niet zoveel van het ‘originele’ atoom verschilt, maar de verhouding tussen isotopen kan veel vertellen over herkomst van een materiaal. Door de isotoopverhouding van het waterstof in de oceanen of het gesteente op aarde te vergelijken met die in meteorieten of ander ruimtegesteente, kun je afleiden waar het waterstof op aarde vandaan is gekomen. Uit de nieuwe metingen blijkt dat de isotoopverhouding van waterstof op aarde dichtbij die van de enstatiet chondrieten ligt. De combinatie van hoeveelheid waterstof in die meteorieten en de isotoopverhouding laat volgens het Amerikaans-Franse team zien dat de enstatiet chondrieten een heel logische bron zijn van het water op aarde.

Van waterstof naar water

Het benodigde waterstof zat dus gewoon in het bouwmateriaal van de planeet zelf. “Dat is een grote claim”, zegt Wim van Westrenen, hoogleraar planetaire evolutie aan de VU Amsterdam. “De enstatiet chondrieten zijn zeker niet de enige bron van water, maar deze metingen laten zien dat de hoeveelheid waterstof in de enstatiet chondrieten veel groter is dan tot nu toe werd aangenomen en dat die hoeveelheid groot genoeg is om de huidige hoeveelheid water te verklaren.”

Hij is onder de indruk van de manier waarop de onderzoekers de metingen hebben uitgevoerd. “Dat is knap gedaan. Het is heel lastig om waterstofatomen in gesteente te meten, omdat je altijd te maken hebt met vervuiling door water dat nou eenmaal overal op aarde is. Ook tijdens de metingen is het een hele klus om te zorgen dat de omgeving en de apparatuur helemaal vrij zijn van andere waterstofatomen.”

Oceaan van magma

Voor de duidelijkheid: de enstatiet chondrieten bevatten zelf geen water en ook geen gasvormig waterstof of zuurstof – het andere element dat je nodig hebt om water te vormen. “Je meet de hoeveelheid atomen van een bepaald element”, legt Van Westrenen uit. “De waterstof- en zuurstofatomen zitten in de verschillende mineralen waar het gesteente uit bestaat.” Maar dat er waterstof- en zuurstofatomen aanwezig zijn, is geen automatische verklaring voor de vorming van vloeibaar water aan het oppervlak van de aarde. Hoe kom je van het een naar het ander?

Een impressie van een landschap van de zeer jonge aarde. Vulkanen en meteorietinslagen zorgen ervoor dat een groot deel van het oppervlak uit vloeibaar gesteente bestaat.

Daarvoor moet je beginnen bij het ontstaan van rotsachtige planeten, zoals de aarde. Deze planeten zijn gevormd doordat kleine brokjes steen samenklonterden en weer botsten met andere stenen en zo groeide een groter geheel. Die botsingen waren heftig en bij zo’n inslag kwam zoveel energie vrij dat de temperatuur snel steeg, met als gevolg dat de jonge aarde ‘smolt’. Het gesteente werd vloeibaar en er ontstond een oceaan van magma aan het oppervlak, legt Van Westrenen uit. “In die omstandigheden kwam van alles vrij uit de mineralen en kon ook water ontstaan, maar het magma was zo heet dat water daar niet in kon oplossen en als gasbelletjes, waterdamp, ontsnapte en opsteeg. Er vormde zich een laag waterdamp en toen alles weer afkoelde, condenseerde dat en begon het te regenen, waardoor er vloeibaar water op het oppervlak kwam.”

Aardmantel van toen

In dit scenario moet het waterstof dus inderdaad al aanwezig zijn geweest in de brokken steen die de aarde vormden. “Dat is een omstreden aanname, maar ik behoor ook tot de groep die dat denkt. Deze metingen wijzen daar ook op.” Waarom is dat een omstreden idee? “Dat heeft te maken met de vraag hoe waterstof, een gas, ooit in het gesteente opgenomen zou kunnen zijn”, aldus Van Westrenen. “Daar is nog geen sluitende verklaring voor.”

Hoewel hij het belang van de enstatiet chondrieten in het ontstaan van het aardse water onderschrijft, plaatst Van Westrenen ook kritische kanttekeningen. “Wat mij opvalt is dat de onderzoekers voorbijgaan aan de doorlopend veranderende verhouding tussen deuterium en waterstof van de aarde zelf. Die verhouding is niet constant, doordat we gaandeweg waterstof verliezen aan de ruimte. Het lichtere waterstof ontsnapt meer uit onze atmosfeer dan het zwaardere deuterium, waardoor de deuterium/waterstof-ratio in de tijd toeneemt. De manier waarop de onderzoekers hier die verhoudingen tussen de aardmantel en de enstatiet chondrieten vergelijken geeft een vertekend beeld: ze vergelijken in feite oude stenen met de aarde van nu, terwijl je de aardmantel van ‘toen’ als vergelijking zou moeten nemen.” De onderzoekers reageerden helaas niet op vragen van NEMO Kennislink over de manier waarop ze hun meetresultaten hebben weergegeven.

Komeet 67P/Tsjoerjoemov-Gerasimenko. In het aardse water is ongeveer een op de zesduizend waterstofatomen ‘vervangen’ door een deuteriumatoom. Eerdere metingen lieten zien dat er drie keer meer deuterium in het water van deze komeet zit.
ESA

Waterdragers van ver

En het scenario waarin ‘waterdragers’ van veel verder weg de bron zijn voor de natte aarde? Is dat hiermee van de baan? Niet helemaal. Floris van der Tak is wetenschapper bij het Nederlandse instituut voor ruimteonderzoek SRON en onderzoekt onder andere de samenstelling van kometen en planetoïden. Hij vertelt: “In onze oceaan zit tamelijk veel deuterium, meer dan in de zon in ieder geval. Naast het oermateriaal dichtbij de zon zit er waarschijnlijk meer ‘koud materiaal’ in, van verder weg. Over het algemeen neemt de concentratie deuterium toe naarmate je vanaf de zon verder naar buiten gaat. Door de lage temperatuur gedijt het daar als het ware beter.”

Het is bovendien onduidelijk of het kometen of planetoïden waren die een deel van het water brachten. “Kometen komen uit de buitenste delen van het zonnestelsel en dragen veel (deuteriumrijk) water, dat schiet lekker op”, zegt Van der Tak. “Planetoïden zijn droger, maar daar zijn er weer veel meer van en ze zitten gemiddeld dichterbij de aarde. De kans op inslagen op aarde is veel groter.”

Van Westrenen denkt ook dat latere inslagen een bijdrage aan het water op aarde leverden. “Dat is nog steeds een mogelijke bron van water, maar veel van die meteorieten hebben een heel andere isotoopverhouding in hun waterstof met veel meer deuterium dan we op aarde hebben. Ze kunnen dus niet heel veel bijgedragen hebben, want dan zouden we nu op aarde daarvoor ook hogere waardes meten.”

Uitgelicht door de redactie

Geesteswetenschappen
‘We moeten ervoor waken dat we coronamoe worden’

Informatica
‘Laat zien wat er binnen de coronaregels nog wel mag’

Geneeskunde
Van ontstekingsremmers tot bloedplasma

Ruimere blik

Al met al lijkt de conclusie dat verschillende gebeurtenissen een bijdrage hebben geleverd aan onze huidige natte planeet. Maar hoe komen we nu verder in het ontrafelen van het belang van die verschillende bijdragen? Wat was nou echt belangrijk en wat speelde een minder prominente rol? “Daarvoor moeten we naar veel meer elementen tegelijkertijd kijken”, zegt Van Westrenen. “Iedere onderzoeksgroep heeft een specialisatie. De een is goed in het meten van stikstof, de ander concentreert zich op zuurstof, maar alle elementen op aarde zijn afkomstig uit de ruimte en wil je een beeld krijgen van wat precies waar vandaan komt dan moet je veel breder kijken. Bijvoorbeeld ook naar koolstof of chloor, om maar iets te noemen. Het zou daarom heel nuttig zijn om dezelfde stenen door verschillende groepen te laten onderzoeken zodat we veel meer elementen in beeld krijgen en dan kun je echt gaan vergelijken. Concentreren op een of twee elementen is niet genoeg.”

In een begeleidend commentaar in Science schrijft wetenschapper Anne Peslier van NASA’s Johnson Space Center dat de bezorging van waterstof door enstatiet chondrieten andere – wellicht moeilijker te verklaren – mechanismen overbodig of in ieder geval minder belangrijk maakt. Ze noemt daarbij het tijdelijk naar binnen verschuiven van de sneeuwgrens in het jonge zonnestelsel en de directe adsorptie van water aan het aards gesteente als alternatieve verklaringen. “Dit kun je zien als een wat simpelere oplossing”, denkt ook Van der Tak. “Dat alles tegelijk is ontstaan, en dat het waterstof dat nodig was voor al dat water grotendeels in het bouwmateriaal zelf zat.”

De zoektocht naar de bron van het water op aarde en het water op planeten rondom andere sterren kan elkaar wellicht ook verder helpen. Van der Tak: “We hebben laatst met computersimulaties bevestigd dat er ook in een systeem met vier planeten zoals HR 8799 water kan zijn bezorgd nadat de planeten zich vormden.” Op het moment van schrijven zijn er ruim drieduizend planeetsystemen bekend waarvan 710 systemen met meer dan een planeet. “Het is goed dat we op dit moment andere planetenstelsels leren kennen, want we hebben hier in ons eigen zonnestelsel eigenlijk maar een beperkte blik.”

Bronnen

  • Piani L. et al., Earth’s water may have been inherited from material similar to enstatite chondrite meteorites, Science (28 augustus 2020), DOI:10.1126/science.aba1948
  • Peslier A. et al., The origins of water, Science (28 augustus 2020), DOI:10.1126/science.abc1338
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 23 september 2020

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.