Voda na kometách a na Zemi není v příbuzenském vztahu

001 Comet_on_2_December_NavCam

Debaty o tom, jestli jsou zásoby pozemské vody následkem četných dopadů komet v dobách pozdního intenzivního bombardování, neberou konce. Není se čemu divit – voda je pro nás zásadním elementem pro vznik a udržení života.

Po desítky let se většinový názor vědecké obce přikláněl k tomu nejpřirozenějšímu vysvětlení – na ranou Zemi mohla vodu dopravit pouze ledová těla komet. Jenže rozpor se skrýval v rozdílných izotopech vodíku, který plní naše oceány, a tím, co jsme pomocí (byť méně přesných) měření našli na površích a v atmosférách vlasatic.

Až teď jsme měli poprvé možnost nasát a analyzovat všechny potřebné ingredience těsně u kometárního jádra, což nám poskytlo daleko přesnější obraz než spektroskopické snímky z velkých vzdáleností pořizované detektory velkých pozemských observatoří.

Ten největší rozpor ohledně množství vody na Zemi souvisel s otázkou, jak se na planetě v době jejího formování před +/- 4,6 miliardami let mohly za vysokých teplot utvořit tak bohaté rezervoáry vody. O tom, že jsou opravdu bohaté, nás přesvědčí fakt, že plné dvě třetiny povrchu Země tvoří vodní hladina. Takže kde se všechna ta voda vzala, když ještě navíc mluvíme o dobách teplot tak vysokých, že by se musely veškeré tekuté zásoby vypařit?

První výsledky měření poměrů izotopů vodíku (D/H ratio). Na obrázku jsou znázorněny výsledky měření hmotnostního spektrometru DFMS mezi 8. srpnem a 5. zářím 2014. Graf zobrazuje poměr vodíku a deuteria u různých těles sluneční soustavy. Rozdílné typy těles jsou znázorněny barevně. Planety a měsíce modře, chondrity z hlavního pásu asteroidů šedě, komety z Oortova oblaku fialově a komety joviánské rodiny bledě růžově. Kometa 67P je vyznačena žlutě. V případě astronomických pozorování vidíte vedle tělesa kroužek, přímá měření jsou vyznačena kosočtvercem. Ve spodní části grafu jsou vyobrazena měření v atmosférách čtyř velkých vnějších planet sluneční soustavy a odhadované hodnoty poměru D/H u zárodečných mlhovin, ze kterých se později tvoří planetární systémy jako ten náš. Poměr vodíku a deuteria v pozemských vodách činí 1,56×10–4 a je vyznačen tmavě modrou linií uprostřed grafu. U komety 67P je tento poměr 5,3×10–4 – to je více než trojnásobek poměru H/D v pozemských oceánech.

První výsledky měření poměrů izotopů vodíku (D/H ratio). Na obrázku jsou znázorněny výsledky měření hmotnostního spektrometru DFMS mezi 8. srpnem a 5. zářím 2014. Graf zobrazuje poměr vodíku a deuteria u různých těles sluneční soustavy. Rozdílné typy těles jsou znázorněny barevně. Planety a měsíce modře, chondrity z hlavního pásu asteroidů šedě, komety z Oortova oblaku fialově a komety joviánské rodiny bledě růžově. Kometa 67P je vyznačena žlutě. V případě astronomických pozorování vidíte vedle tělesa kroužek, přímá měření jsou vyznačena kosočtvercem. Ve spodní části grafu jsou vyobrazena měření v atmosférách čtyř velkých vnějších planet sluneční soustavy a odhadované hodnoty poměru D/H u zárodečných mlhovin, ze kterých se později tvoří planetární systémy jako ten náš. Poměr vodíku a deuteria v pozemských vodách činí 1,56×10–4 a je vyznačen tmavě modrou linií uprostřed grafu. U komety 67P je tento poměr 5,3×10–4 – to je více než trojnásobek poměru H/D v pozemských oceánech.
Zdroj: http://www.esa.int/

Většina vědců zastává názor, že voda byla na zemský povrch dopravena až v pozdějších dobách, a to přímo z kosmického prostoru – při četných dopadech komet a asteroidů. Zemský povrch už se stačil dostatečně ochladit, takže se na něm mohla udržet v tekuté formě. Tuto éru označujeme jako pozdní intenzivní bombardování (LHB – Late Heavy Bombardment). Odehrávat se mělo v dobách 800 milionů let po zformování Země.

Klíčovým faktorem při určení původu pozemské vody je určit poměr mezi atomy běžného vodíku a jeho druhého izotopu – deuteria. Ten obsahuje v jádře jeden proton a jeden neutron a od běžného vodíku se liší především atomovou hmotností 2,01363 u. Jde o stabilní izotop, který nepodléhá radioaktivní přeměně. V přírodě se běžně vyskytuje vedle lehkého vodíku (jehož jádro obsahuje pouze proton). V průměru připadá jeden atom deuteria na 7 000 atomů vodíku.

Kuiperuv pás a Oortův oblak.

Kuiperuv pás a Oortův oblak.
Zdroj: http://www.esa.int/

Vzájemný poměr vodíku a deuteria je důležitým indikátorem raných fází vývoje sluneční soustavy. Teoretické simulace naznačují, že se tento poměr mění jak s narůstající vzdáleností od Slunce, tak s časem. A nejde o úkol jednoduchý, neboť vývoj naší soustavy byl proces velmi dynamický. Například dlouhoperiodické komety z Oortova oblaku se původně formovaly v oblastech oběžných drah Uranu a Neptunu, v dostatečných vzdálenostech od Slunce, kde se může voda udržet ve formě ledu. Až později se v důsledku gravitačního působení plynných obrů jejich dráhy značně protáhly.

Komety z joviánské rodiny se zřejmě původně formovaly v oblastech Kuiperova pásu za oběžnou dráhou Neptunu. Příležitostně dochází k narušení jejich drah a taková kometa se dostane do oblastí vnitřního slunečního systému, kde její dráhu začne ovlivňovat Jupiter. A to je případ vlasatice Čurjumov-Gerasimenko.

Právě výzkum komet je pro nás zásadní, neboť jsou složeny z materiálu nepřeměněného díky dlouhodobým účinkům naší mateřské hvězdy. Jde o jakési mrazničky z dob formování zárodečného protoplanetárního disku. Pokud se nám podaří detailně určit jejich chemické složení, budeme schopni nahlédnout do dob před čtyřmi a půl miliardami let.

Předchozí měření poměru vodíku k deuteriu (D/H ratio) u různých komet přinesla dosti rozporuplné výsledky. Astronomové zkoumali poměr D/H u jedenácti komet a pouze u jedné z nich (náležící do joviánské rodiny), komety 103P/Hartley 2, byl poměr vodíku a jeho izotopu shodný s poměrem D/H v pozemských oceánech. I tento výzkum prováděla Evropská kosmická agentura, a to v roce 2011 pomocí vesmírného teleskopu Herschel.

Poměr deuteria a vodíku ve sluneční soustavě.

Poměr deuteria a vodíku ve sluneční soustavě.
Zdroj: http://www.esa.int/

Je zajímavé, že u některých meteoritů pocházejících z hlavního pásu asteroidů se rovněž tento poměr shoduje. Může to znamenat, že by zdrojem vody na Zemi mohly být asteroidy? Ty sice obsahují daleko méně vody než komety, ale pokud byly jejich impakty četnější, mohly by možná vodu na zemský povrch dopravit ve větším množství. Zatím však jde o pouhé spekulace.

Bohužel ani měření sondy Rosetta nepotěšila zastánce „kometárního“ původu pozemských vod. Podrobné analýzy začaly už v době přiblížení sondy ke kometě, konkrétně 6. srpna 2014, a jejich výsledky patřily mezi nejočekávanější vědecké výstupy vzhledem k této stále otevřené otázce.

Prozatímní výsledky měření palubního spektrometru ROSINA nám potvrdily, že poměr D/H je až trojnásobně větší než u pozemské vody. Dokonce je větší než u předchozích měření na dlouhoperiodických kometách ze vzdálených oblastí Oortova oblaku.

Překvapivě odlišné hodnoty u jupiterovské rodiny komet nám rovněž můžou naznačovat cosi o různém původu těchto těles. Zřejmě se formovala v rozdílných vzdálenostech od mateřské hvězdy a mají pestřejší původ, než jsme se doposud domnívali.

Podle vedoucí pracovnice vědeckého týmu ROSINA Kathrin Altwegg dokonce můžeme už vyloučit možnost, že by tělesa joviánské rodiny stála za původem pozemské vody. Budeme se muset poohlédnout jinde. Možná směrem k pásu asteroidů.

První z komponentů přístroje ROSINA – Double focusing mass spectrometer (DFMS).

První z komponentů přístroje ROSINA – Double focusing mass spectrometer (DFMS).
Zdroj: http://blogs.esa.int/

ROSINA (Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis)

Jde o zařízení složené ze dvou hmotnostních spektrometrů a tlakového senzoru. Hmotnostní spektrometr určuje složení kometární atmosféry a ionosféry, měří teplotu a rychlost plynných a iontových částic. Tlakový senzor měří hustotu plynu v okolí kometárního jádra a radiální rychlosti plynových výtrysků z povrchu 67P.

Reflectron time of flight mass spectrometer (RTOF).

Reflectron time of flight mass spectrometer (RTOF).
Zdroj: http://blogs.esa.int/

Poprvé (a nešlo o aprílový žert) vědci aktivovali zařízení 1. dubna letošního roku. U desetičlenného vědeckého týmu propuklo krátké bujaré nadšení, když Rosetta odeslala telemetrická data o stavu přístroje. Všechny komponenty byly po desetileté cestě vesmírem v pořádku. Ale jak tomu v případě náročných misí bývá, první technické problémy se objevily vzápětí. První způsobilo extrémně chladné prostředí oblasti mezi Marsem a Jupiterem. Spektrometr DFMS zůstal aktivní pouhé dvě vteřiny. V té době naměřil palubní senzor jeho teplotu -30,4 °C. Tato hodnota překračovala pracovní teplotu přístroje o pouhých 0,4 °C. Proto software zařízení ROSINA zamítl další pokus o restart DFMS.

Kometární tlakový senzor COPS.

Kometární tlakový senzor COPS.
Zdroj: http://blogs.esa.int/

U spektrometru RTOF se vyskytl jiný problém. Zařízení se nachází hluboko v útrobách sondy, takže nemusí svádět boj s chladem volného kosmu. Jenže u něj pro změnu došlo k poklesu napětí, takže rovněž nemohl být uveden do pracovního modu. Naštěstí po krátké analýze telemetrických dat přišel vědecký tým na příčinu – tou byla softwarová chyba. Ta se v jiném místě kódu objevila znovu v dalších dnech a zapříčinila další problémy.

Ty byly vyřešeny až 24. a 25. dubna odesláním opravených datových sekvencí. V té době rovněž došlo k částečnému zvýšení pracovní teploty spektrometru DFMS – letová kontrola změnila orientaci sondy Rosetta ke Slunci tak, aby jeho svit daný detektor zahřál. Zařízení ROSINA začalo konečně plnit vědecké úkony.

V tomto i následujícím roce si vědci slibují spousty zajímavých výsledků. Poprvé v dějinách kometárního výzkumu bude umělá sonda doprovázet kometu na cestě k periheliu a bude tak moci sledovat dynamické změny těchto těles s ubývající vzdáleností ke Slunci.

Obří rezervoáry podzemní vody

My se v tematice původu pozemské vody teď ještě vraťme na naši planetu a přesuňme se v čase do doby letošního léta.

Tehdy dostala obec zastánců kometárního původu další „ránu pod pás“. Server New Scientist uveřejnil 12. června, že hluboko pod zemskou kůrou byly objeveny obří rezervoáry vody o trojnásobném objemu všech povrchových moří a oceánů. Voda je uložena v polymorfním olivínu v hloubce 700 kilometrů pod zemským povrchem ve vrstvách horkých hornin zemského pláště.

Začalo se dokonce spekulovat, že všechny zásoby vody můžou být ryze pozemského původu, dokonce by to mohlo objasnit, proč je množství vody v oceánech víceméně konstantní po dlouhá geologická údobí milionů let. Hluboké spodní zásobárny by mohly množství vody v oceánech průběžně doplňovat.

Výsledky dlouhodobého výzkumu publikovala skupina vědců pod vedením Stevena Jacobsena z Northwestern University v Evanstonu v Illinois. Pomocí dvou tisíc měření seismometry analyzovali seismické vlny více než pěti set zemětřesení. Měřením rychlosti distribuce vln byl tým schopen určit, jakým materiálem se šířily. Spodní vodní vrstvy totiž šíření těchto vln výrazně zpomalují.

Vypadá to, že naše cesta za objasněním původu pozemských vod bude ještě řádně dramatická.

Množství povrchových vod na Zemi a na Jupiterově měsíci Europa, kde se ukrývá v rozlehlých podpovrchových oceánech.

Množství povrchových vod na Zemi a na Jupiterově měsíci Europa, kde se ukrývá v rozlehlých podpovrchových oceánech.
Zdroj: http://apod.nasa.gov/

Množství povrchových vod na Zemi

Závěrem si připomeňme zajímavou infografiku. Téma povrchové vody je značně paradoxní. Na jedné straně si představte nějakou mimozemskou civilizaci, která má možnost zkoumat povrch naší planety pouze za použití tří náhodných snímků s velmi úzkým zorným polem. Jelikož oceány tvoří přibližně 70 % zemského povrchu, je dost dobře možné, že by na všech třech snímcích byl zachycen vodní povrch. Nesprávnou extrapolací by daná civilizace došla k závěru, že Země je vodní svět.

Ale ač zabírá vodní hladina značnou část povrchu, jde pouze o tenkou slupku v poměru k celkové hmotě planety. Odborníci Kevin Hand (JPL/Caltech) a Jack Cook z oceánografického institutu znázornili graficky celkové množství povrchové vody. Pokud byste mohli všechna povrchová vodstva zformovat do podoby hypotetické koule, dosahovala by poloměru pouhých 700 kilometrů – to je přibližně dvakrát méně než poloměr našeho Měsíce.

Vlevo vidíte pro porovnání množství podpovrchové vody joviánského měsíce Europa. Z rozborů dat pozorování sondy Galileo (1995 – 2003) se domníváme, že pod pevnou ledovou krustou měsíce se ukrývají podpovrchové oceány o hloubkách od 80 do 170 kilometrů. Hypotetická koule by tak předčila tu pozemskou o 177 km.

zdroje informací:
http://www.esa.int/
http://sci.esa.int/
http://www.esa.int/
http://blogs.esa.int/
http://space.unibe.ch/
http://blogs.esa.int/
http://blogs.esa.int/
http://www.sciencemag.org/
http://www.sciencemag.org/
http://apod.nasa.gov/

zdroje obrázků:
http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Rosetta/Rosetta_fuels_debate_on_origin_of_Earth_s_oceans
http://blogs.esa.int/rosetta/2014/05/09/rosina-good-things-come-to-those-who-wait/
http://blogs.esa.int/rosetta/2014/12/09/cometwatch-7-december/
http://blogs.esa.int/rosetta/2014/12/05/cometwatch-2-december/
http://apod.nasa.gov/apod/ap120524.html

Pin It
Nahlásit chybu

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

GD Star Rating
loading...
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


8 komentářů ke článku “Voda na kometách a na Zemi není v příbuzenském vztahu”

  1. Martin Gembec napsal:

    Dobrá práce, těžko hledat lepší souhrn v češtině. Snad tam hnidopiši nenajdou moc odborných chyb. Už delší dobu jsem měl v hlavě uloženo, že vodu na Zemi prý nepřinesly komety, nýbrž planetky, ale tohle bude možná zamotanější případ. Prostě příroda to chtěla jinak, než si člověk možná jen dokáže nyní představit.

    • gubarev napsal:

      To byl cíl tohoto textu. (nebo alespoň snaha)¨. Už tolik let teorie kometární vody kraluje, a je to rovněž dlouho, kdy byly zjištěny diskrepance v poměru H/D, ale přišlo mi, že jsou dosti přehlíženy (nebo jsem neměl štěstí v nalezení zdrojů).

      Dokonce jsme s kamarádkou diskutovali o možnostech, že by tento poměr byl u pozemského pravodstva či hornin jiný a změnil by se za nějakých nám dosud neznámých podmínek. Posílám její kratší včerejší zamyšlení na to téma: http://julienovakova.wordpress.com/2014/12/13/source-of-earths-water-a-little-idea-about-dh-ratios/

  2. Jaroslav.Alois napsal:

    Zcela se odhlíží od faktu, že planety velikosti Země bez problémů udrží hustou atmosféru i z přehřátých plynů, včetně kysličníku vodíku. Podíváte-li se příkladně na animace vzniku Měsíce, je tam pouze hornina, nikde žádné plyny ačkoli jich po srážce muselo být obrovské množství, min. jeden poloměr Země.
    Jestliže se při impaktu cokoli “ vypaří“ neznamená to že to zcela zmizí, ale změní se v plyn a ten setrvá v oblasti impaktu a posléze kondenzuje v původní formu.
    Zdá se tedy, že voda byla na Zemi odjakživa což je logické neboť se jedná o kysličník nejhojnějšího prvku nejen ve Sluneční soustavě, ale i v celém Univerzu.

  3. ramesse napsal:

    Dobry clanok, zaujimava tema, len ma zaraza jedna vec. Ja si pamatam, ze som uz pred minimalne 10-15 rokmi cital v nejakej knihe o geologii, ze nejpravdepodobnejsim zrojom vody na Zemi je voda, ktora bola prirodzena obsiahnuta v horninach, casom sa vytlacila na povrch/vyparila a naprsala az naplnila oceany (kometarna teoria bola vzdy prezentovana len ako taka exoticka alternativa). Tak toto mi nepride ako nejaka novinka.

    Btw – pisete, ze „teploty na povrchu Zeme boli vysoke, take pri ktorych sa voda vypari“… ano a kde je problem? Vypari sa a naprsi casom dole, ked sa podmienky ustalia.

    • gubarev napsal:

      Moc se omlouvám za pozdní reakci, začal jsem k tomu tématu hledat zdroje, které mě nepřímo zavedli k dalším zajímavým informacím. Rovněž s vámi souhlaím – já jsem se k takovým názorům dostal, ale byly to zdroje na pokraji populární vědy, a často se nad nimi rychle zavřela voda. Když to trochu odlehčím: Přeplněná informační dálnice se nesla hlavně ve znamení kometárního původu pozemského vodstava

      „Btw – pisete, ze „teploty na povrchu Zeme boli vysoke, take pri ktorych sa voda vypari“… ano a kde je problem? Vypari sa a naprsi casom dole, ked sa podmienky ustalia.“

      To sice ano, ale při dlouhodobých vysokých teplotách se velké množství molekul v rámci pohybu dostává do svrchních vrstev atmosféry, kde se pod vlivem UV záření štěpí na vodík a kyslík. Oba lehké plyny mají pak tendenci opouštět svrchní části atmosféry díky působení tlaku slunečního větru (což řešíme u „vedlejšího“ článku o Marsu), z čehož vodík ještě více.

  4. Petr Šída napsal:

    Dovolil bych si trochu zkrotit pesimismus

    takhle postavený název je zavádějící, změřili jsme jednu kometu a ano, její složení je jiné, než jsme očekávali, ale znamená to, že to okamžitě vyvrací vše, co jsme si do této chvíle mysleli?

    Jednoznačně ne, dělá to celý problém mnohem zamotanějším, než se doposud zdál a znamená především to, že nerozumíme genezi joviánské rodiny komet (a z této rodiny známe složení tří komet, a pouze jediná se – 67P – se liší)

    předně, existují komety, které mají složení stejné, jako voda na Zemi

    druhak, ani asteroidy nejsou ideálním kandidátem vzhledem k rozptylu naměřených hodnot, které je na úrovni joviánských komet (a čteme u nich opravdu složení počáteční, nebo pozměněné po dlouhém období srážek?)

    Celá představa je založená na něčem jiném, než je var roztavených planet

    v okamžiku začehnutí nukleárních reakcí na Slunci začal na planetární mlhovinu působit tlak slunečního větru, který začal vytlačovat všechny lehčí plyny dál od Slunce, mezi nimi byla samozřejmě i voda, vnitřek sluneční soustavy tak je výrazně ochuzen o vše lehké

    doposud se předpokládalo, že rozhraní mezi ochuzenou a víceméně neochuzenou částí sluneční soustavy je oběžný prostor Jupiteru

    uvnitř ochuzeného pásma pokračovala akrece vnitřních planet, ovšem z na lehké prvky velmi ochuzeného materiálu

    při tavbě dané akrecí tak primárně lehčí plyny prostě nebyly ….

    toť představa, jaká je realita by mělo být předmětem dalšího výzkumu

    asteroidy teoreticky mohou být na vodu bohatší, protože vznikaly na hranici obou prostorů, jsou ale bohaté dost?

    další věc, voda na Zemi musí být vzniklá smíšením vody z mnoha tisíc těles, její izotopická hodnota je tak průměrem hodnoty ze všech těchto těles

    takže pokud bych měl být hodně drsný, tak jeden extrém měření vůbec nic neznamená, na statistickém souboru 3 (11) měření už vůbec ne

    a ještě jednu technickou, když jsem procházel zdroje, zjistil jsem, že významné pasáže v článku jsou jenom a pouze přeložené, a to doslova

    něco takového by se v autorském článku objevit nemělo, autorský zákon na tohle pamatuje, všude na školách jsou takovéto postupy při psaní prací velmi tvrdě potírány

    • gubarev napsal:

      „toť představa, jaká je realita by mělo být předmětem dalšího výzkumu
      asteroidy teoreticky mohou být na vodu bohatší, protože vznikaly na hranici obou prostorů, jsou ale bohaté dost?“

      Obojí je v textu obsaženo.

      Nemá moc smysl přít se o to, jaký počet měření je dostačující, souhlasím s tím, že by mělo jít v ideálním případě o stovky měření, ale ty zatím bohužel nemáme. Tak se držíme toho co máme.

      „a ještě jednu technickou, když jsem procházel zdroje, zjistil jsem, že významné pasáže v článku jsou jenom a pouze přeložené, a to doslova

      něco takového by se v autorském článku objevit nemělo, autorský zákon na tohle pamatuje, všude na školách jsou takovéto postupy při psaní prací velmi tvrdě potírány“

      Jsou texty, kde je větší svoboda a dá se s textem pracovat volněji, což dle mého usouzení nebylo v tomto případě žádoucí. V takové tématice se držím faktů, a mám za to, že v tomto případě je to vhodnější, než vymýšlet různé své verze a obraty.

      Před zhruba rokem a půl jsem na to téma dokonce kontaktoval ESA (a jiné agentury) s konkrétně formulovaným dotazem. Odpověď zněla, že pokud dodržím uvedením zdroje (v podobě linku), a na daných textech neprofituji (nejsou komerčního zaměření, a jde o popularizaci výzkumu ESA) je možno informace šířit.

      Jaký autorský zákon máte na mysli? Kromě asi dvou vět z wikipedie a citace jedné své starší aktuality, jsem nevycházel z žádných českých zdrojů. Prosím o zaslání daného zákona a ještě lépe osvětlení souvislosti, neboť porušování zákonů bych se rád vyhnul.

    • Tomáš Kohout napsal:

      Petře, ohledně připomínek k autorskému zákonu: Zdroje, ze kterých se zde vychází jsou publikované pod svobodnými licencemi CC (NASA, ESA, wiki). Takže i kdyby autor celý text slovo od slova přeložil (což neudělal), tak při linkování zdroje žádný autorský zákon neporušil.

      Navíc myslím si, že autor vložil do článku hodně své vlastní tvůrčí invence a dále nevidím nic špatného na tom, že zásadní pasáže nechá tak, jak je formulovaly vědecké týmy, zabývající se touto problematikou. Autor je popularizátor vědy, nikoliv vědec a toto není impaktovaný časopis.

      Vím, že jako vědec, který publikuje, jsi zvyklý na striktní pravidla vědeckých prací, kde by samozřejmě bylo špatně publikovat opsané pasáže bez dodržení pravidel při citaci konkrétního zdroje, ale tady je naopak třeba nezkreslovat přesné formulace.

Zanechte komentář