Cât de răspândită este apa în univers?

Molecula de apă este un compus chimic al hidrogenului și al oxigenului, având formula chimică H2O (formată din doi atomi de hidrogen și un atom de oxigen).

Hidrogenul, primul element chimic necesar pentru a obține apă, este cel mai simplu element chimic (are numărul atomic 1, deci este format dintr-un singur proton) și este cel mai răspândit în univers. Hidrogenul împreună cu heliul (număr atomic 2) alcătuiesc 98% din materia universului (75% hidrogen și 23% heliu).

Viața pe Pământ s-a adaptat pentru a respira oxigen. Deși oxigenul pur este otrăvitor, organismele au învățat să-l folosească în diverse reacții chimice necesare metabolismului. Oxigenul favorizează combustia iar dacă atmosfera n-ar fi conținut atât de mult azot, atunci orice scânteie ar fi făcut ca întregul Pământ să fie cuprins în flăcări. Oxigenul este cel de-al treilea element chimic ca abundență în univers (aproximativ 1%), după hidrogen și heliu. Toate celelalte elemente chimice din tabelul periodic alcătuiesc restul de 1%.

Putem crea apă pură prin combinarea hidrogenului cu oxigenul, 2H2 = O2 -> 2H2O. Atenție însă, această reacție este spontană și explozivă.

Multe alte reacții pot fi folosite pentru a produce apă. Apa se poate produce și prin arderea hidrocarburilor (de exemplu, metan sau octan). Arderea hidrocarburilor va produce și apă, printre alți compuși chimici. Un alt exemplu este reacția dintre bicarbonatul de sodiu și oțet. Reacția produce acid carbonic (H2CO3) care se descompune rapid în dioxid de carbon și apă.

Apa se mai poate obține și prin neutralizare (un tip de reacție chimică în care un acid reacționează cantitativ cu o bază).

Dacă ingredientele necesare pentru a obține apă sunt atât de abundente, de ce apa este atât de rară în univers? Sau nu este?

Ingrediente necesare

Amestecarea celor două gaze nu este suficientă pentru a începe reacția. Pentru ca gazul de hidrogen și oxigenul să reacționeze pentru a forma apă, trebuie să adăugăm o anumită cantitate de energie în sistem pentru a porni reacția, iar această energie se numește „energie de activare”. O sursă bună de energie ar putea fi o flacără deschisă. Odată ce reacția a început, energia emisă în timpul reacției exotermice este suficientă pentru a crea o reacție în lanț.

În reacțiile chimice obișnuite (spre deosebire de reacțiile nucleare), se aplică legea conservării masei, adică, masa produselor este egală cu masa substanțelor reactante. Dacă luăm hidrogen (H2) și oxigen (O2) pentru a forma apă, atunci reacția chimică este următoarea: 2H2 (g) + O2 (g) -> 2H2O (g). Dacă calculăm masa pentru substanțele reactante și pentru produse pentru această reacție, masa va fi egală. 3 moli de gaz (2 moli H2 + 1 mol O2) reacționează formând 2 moli de de gaz (2 moli de H2O). Masa este egală, dar volumul este scăzut (mai ales după ce apa se condensează într-un lichid). În această reacție aproape tot hidrogenul și oxigenul reacționează foarte rapid pentru a forma vapori de apă.

Deși H2O nu poate exista în stele, hidrogenul și oxigenul pot exista în acestea separat. Hidrogenul este materialul de construcție de bază al universului, creat în Big Bang. Și asa cum am discutat mai sus, este și cel mai abundent în univers. Oxigenul este creat prin reacții nucleare în stele. De fapt, aproape tot oxigenul din spațiu este găsit sub formă de apă sau monoxid de carbon. În mod similar, carbonul și azotul din spațiu se găsesc, de asemenea, în formele lor cele mai hidrogenate: metanul (CH4) și amoniacul (NH3). Și așa cum ar fi de așteptat, în univers există cantități enorme de apă.

Cum s-a format apa pe Pământ?

Știm cum se poate produce apă dar adevărul este că nu știm exact cum a apărut apa pe Pământ. Este posibil ca apa să fi fost întotdeauna prezentă în mantaua Pământului și a fost eliberată treptat la suprafață de către vulcani.

O altă ipoteză spune că apa a fost adusă pe Pământ de asteroizi. Am descoperit că există apă pe Marte, pe Lună dar și pe alte planete sau sateliți. Este posibil ca apa să fi fost adusă de asteroizi deoarece nu există încă dovezi până în prezent care să arate activitate vulcanică pe acestea.

În 1974 s-a descoperit că mantaua Pământului conținea mai multe metale prețioase decât s-a estimat. Aceste elemente grele au fost atrase în nucleul de fier al planetei încă de la începutul formării Pământului. Această descoperire a adus la ideea că asteroizii care lovesc Pământul au adus un surplus de elemente chimice. Este posibil ca acești asteroizi să fi adus pe lângă metale prețioase și substanțe „volatile” precum carbonul și apa, despre care se știe că există pe un tip de asteroizi de tip C (condrită carbonică).

În anul 2017 un studiul publicat în revista Nature, realizat de Mario Fischer-Godde de la Institutul pentru Planetologie, Universitatea din Munster, a arătat că ruteniul din mantaua Pământului are o compoziție izotopică diferită de cea găsită în asteroizii din sistemul solar care au ajuns pe Pământ.

Se consideră că excesul de elemente volatile și de apă au fost aduse de asteroizi (de tip C) sau comete, însă până în 2017 nu a fost stabilită sau exclusă o legătură „genetică”. O astfel de legătură poate fi determinată folosind izotopi de ruteniu, așa cum a observat Mario Fischer-Godde. Anomaliile izotopului de ruteniu au demonstrat că elementul format la o distanță heliocentrică mai mare conține variații mai mari ale izotopilor și prin urmare, asteroizii nu au fost sursa primară de elemente volatile și apă pe Pământ.

Această lucrare se adaugă la alte cercetări care arată că apa era abundentă pe Pământ imediat după impactul uriaș cu planeta Theia (eveniment estimat că a avut loc acum 4,5 miliarde de ani) din care avea să se nască singurul nostru satelit natural. De exemplu, s-au descoperit cele mai vechi minerale terestre, precum zirconiul, cristalizat în magmă, unde interacționa cu apa lichidă. Aceste minerale au vârste cuprinse între 4,1 și 4,3 miliarde de ani.

Mai mult de atât, doar pentru că un asteroid transportă apă, nu înseamnă că aceasta va ajunge și va rămâne pe Pământ. Din contră, Pământul ar fi putut pierde mai multă masă decât ar fi câștigat-o în timpul impacturilor violente. Deși este o teorie neprobată, studiul recent al craterului din Sudbury, Canada, a dezvăluit că acea coliziune a vaporizat în cea mai mare parte a substanțelor volatile.

Un alt indiciu potrivit căreia oceanele planetei s-au format foarte timpuriu este că pe Pământ există mai mult clor decât ne-am fi așteptat. Prezența timpurie a apei lichide ar fi dat clorului ceva în care să se dizolve și astfel să contribuie la prevenirea risipirii sale în spațiu. Mai mult, geochimiștii susțin că oceanele Pământului nu s-au format din comete glaciare deoarece conțin cantități diferite de hidrogen greu (deuteriu).

Toate aceste dovezi sugerează că hidrosfera lichidă a Pământului provine din interiorul Pământului. Apa a fost stocată în mantaua Pământului sub forma unor grupări hidroxilice (un atom de hidrogen și un atom de oxigen) prinse în minerale precum silicat de magneziu. Atunci când mantaua s-a topit, apa s-a dizolvat în magmă. Pe măsură ce magma s-a ridicat la suprafață și s-a răcit, presiunea a scăzut și s-au format cristale iar apa s-a eliberat și a fost emisă sub formă de vapori prin vulcani. Prin acest mecanism, apa de la o adâncime mare a putut fi eliberată la suprafață.

Este important să înțelegem că apa poate fi reciclată înapoi în manta. Asta înseamnă că există un echilibru între apa din oceane și cea stocată în mantaua Pământului. Ceea ce știm este că nivelul mediu al suprafeței mării în raport cu suprafața uscată a rămas relativ constant în aproape 4 miliarde de ani. Acest lucru sugerează faptul că un ciclu constant de apă care apare și care este absorbit în manta a ajutat semnificativ viața să continue de-a lungul istoriei sale pe această planetă.

Abundența apei în Univers

Cât de abundentă este apa în univers? Este foarte probabil să existe chiar și la suprafață pe toate planetele care au o atmosferă ce conține cantități suficiente de ozon.

Soarele, pe lângă alte radiații, emite raze ultraviolete care pot descompune moleculele de apă înapoi în oxigen și hidrogen. Dar același Soare, la începutul sistemului solar, a împrăștiat în jur gaze prin radiații numite vânturi solare. O parte au ajuns pe Pământ și au format atmosfera terestră. În stratosferă, o moleculă de oxigen (O2) când absoarbe razele ultraviolete de la Soare este descompusă în 2 atomi de oxigen (O + O). Cei doi atomi sunt acum liberi să reacționeze cu o moleculă de oxigen (O2) pentru a crea o moleculă de ozon (O3). Astfel, atmosfera Pământului a realizat un strat protector ce a permis apei și mai apoi a vieții să existe.

Atmosfera pe alte planete

Dacă atmosfera joacă un rol important pentru existența apei lichide la suprafața planetei, cât de comune sunt planetele care au atmosferă? Factorul care determină dacă o planetă are o atmosferă stabilă este forța gravitației. Planetele masive au o gravitație puternică iar moleculele de gaze nu pot scăpa în spațiu. Pe de altă parte, un corp mic precum Mercur sau Luna, nu pot ține gazele laolaltă deoarece viteza termică a moleculelor este mai mare decât gravitația. Însă celelalte planete din sistemul nostru solar au atmosferă și avem chiar 4 giganți gazoși despre care putem spune că sunt aproape în totalitate „atmosferă”: Jupiter, Saturn, Uranus și Neptun.

Prezența apei trebuie să fie un lucru comun și în alte sisteme solare. S-au descoperit multe planete care se află în zona locuibilă circumstelară (regiune în spațiu definită pe baza condițiilor pentru a asigura existența apei în stare lichidă) însă va trebui să așteptăm până în martie 2021, când va fi lansat telescopul James Webb, pentru a descoperi dacă suntem sau nu singuri în univers.

Bibliografie:
https://www.nature.com/articles/35051557
https://www.nature.com/articles/nature21045
https://periodictable.com/
https://pubs.geoscienceworld.org/