O postanku hidrosfere

22. ožujka 2005. |
Pogledajte sve članke na karti

Vodeni omotač Zemlje koji obuhvaća svu vodu na Zemlji od dubokog podzemlja do visokih slojeva atmosfere, koja kruži u hidrološkom ciklusu mijenjajući pritom agregatna stanja, nazivamo hidrosferom. Kako je nastala hidrosfera?

Odgovor na to pitanje traži kratko upoznavanje s postankom Sunčeva sustava. Prema nebularnoj hipotezi Sunce je oblikovano sažimanjem golema rotirajućeg međuzvjezdanog oblaka prašine i plinova prije oko 5 milijardi godina. Ovi oblaci sastoje se uglavnom od vodika i helija te uz to težih elemenata proizvedenih u zvijezdama prijašnje generacije i izbačenih u svemir supernovama. Najveći dio vodika i helija u oblaku usredotočio se i oblikovao proto-Sunce, najvjerojatnije promjera usporedivog s današnjim Sunčevim sustavom. Gravitacijskim sažimanjem plinova nastaje Sunce, dok je manji dio prvobitne tvari ostao kružiti oko njega u obliku diska u kojem se postupno stvaraju rukavi i manje nakupine tvari, gdje sudaranjima i gravitacijskim sažimanjem tijekom oko 100 milijuna godina nastaju protoplaneti. Broj protoplaneta smanjuje se u sudarima, neke protoplanete “gutaju” veliki protoplaneti poglavito proto-Jupiter.

Proto-Zemlja imala je golemu masu, možda 500 puta veću od današnje i imala oko 1000 puta veći promjer. Veliki plinoviti omotač koji čini glavninu mase proto-Zemlje ipak nije onaj od kojeg je nastala današnja atmosfera i hidrosfera. Čim je Sunce počelo sijati (tj. kad se nakupilo dovoljno mase da započnu termonuklearne reakcije) sunčev vjetar (električno nabijene čestice koje emitira Sunce) bio je dovoljno snažan da otpuše većinu vodika i helija koji nije zarobljen od strane unutrašnjih planeta. Plinoviti omotači unutrašnjih planeta ubrzo su izgubljeni zbog znatnog njihovog zagrijavanja od Sunčeve radijacije s jedne strane i taljenja samih planeta s druge strane, kojima je temperatura narasla zbog gravitacijskog sažimanja i radioaktivnosti u unutrašnjosti te zbog stalnog bombardiranja meteorima. U rastaljenih planeta dolazi do migracije težih elemenata u središte, a lakših bliže površini – nastaju geološke sfere. Visoka temperatura nije dopuštala zadržavanje plinova, odnosno oblikovanje atmosfere, iako su plinovi izbacivani na površinu. Određeno vrijeme nije mogla biti stvorena ni Zemljina kora.

Zemljina geološka prošlost započinje prije oko 4,5 milijardi godina kada se Zemlja ohladila u dovoljnoj mjeri da se stvori tanka kruta kora. Intenzivna vulkanska aktivnost i dalje je izbacivala plinove, a nastavilo se i intenzivno bombardiranje meteorita do oko 3,9 milijardi godina. Pad temperature omogućio je da Zemljina gravitacija može zadržati atmosferu. Ta, nazovimo je, praatmosfera znatno se razlikovala od vodiko-helijske protoatmosfere, ali i od današnje atmosfere. Vjerojatno je bilo malo slobodnog kisika i dušika, a pretežno se sastojala od ugljikovog dioksida i vodene pare, te sumpornog dioksida, metana, amonijaka. Još uvijek nema tekuće vode, sva voda je u plinovitu stanju u atmosferi pa bi mogli reći da su hidrosfera i atmosfera spojene. Atmosfera je zapravo vrlo slična Venerinoj, gusta i vrela. Vodena para, ugljični dioksid i metan najvažniji su staklenički plinovi, a njihovo obilje dovodi do visokih temperatura. Uz to visok je tlak (zamislimo kad bi današnji oceani isparili u atmosferu; zaronimo li samo 10 m duboko tlak raste približno za 1 atmosferu).

Slijedi prvi veliki obrat. Zemlja je za razliku od Venere bila dovoljno udaljena od Sunca da se dovoljno ohladila da se mogao pokrenuti hidrološki ciklus u pravom smislu te riječi, odnosno da je moglo doći do kiše na Zemlji i do otjecanja površinom. Hidrološki ciklus na više načina hladi Zemlju. Smanjuje se količina vodene pare a povećava udio tekuće vode – dolazi do razdvajanja hidrosfere od atmosfere. Do prije oko 4 milijardi godina većina vode ukapljena je i oblikuju se prvi Zemljini oceani. Time je najvažniji staklenički plin – vodena para uklonjen iz atmosfere. Uz to, iz atmosfere su u oceane otopljene goleme količine ostalih stakleničkih plinova, kao ugljični dioksid i metan. Također, latentnom toplinom isparavanja prenose se goleme količine topline s površine Zemlje u više slojeve atmosfere (te s pregrijanog polutničkog pojasa u više geografske širine). Zemlja postaje sličnija današnjoj. U atmosferi najvećim dijelom ostaje dušik (kisika još nema u današnjim količinama jer još nema fotosintetičkih biljaka). Glavni regulator topline Zemljine površine postaje Sunčeva radijacija.

Temperaturnom režimu u kojem voda na površini Zemlje nije niti zamrznuta niti isparena u atmosferi pogoduje Zemljina udaljenost od Sunca (ni preblizu ni predaleko), gotovo kružna putanja oko Sunca i razmjerno brza vrtnja oko osi te postojanje atmosfere. Naime, u uspostavljenoj atmosferi još uvijek dovoljno stakleničkih plinova da se temperatura nije spustila prenisko – da nema atmosfere temperatura Zemljine površine bila bi u prosjeku -21°C, ovako danas iznosi +14°C. Važna je i veličina planeta, odnosno odnos temperature atmosfere i gravitacije planeta. Premala gravitacija može dovesti do gubitka atmosfere. Na Veneri (veličinom sličnoj Zemlji) koja je bliže Suncu temperaturni režim nije omogućio hidrološki ciklus, odnosno odvajanje hidrosfere. S druge strane na udaljenijem Marsu hidrološki ciklus se najvjerojatnije pokrenuo ali ravnotežno stanje nije se dugo održalo. Atmosfera se gubila, a voda koja je ostala zamrznuta je u podzemlju.

Prema do sada iznesenom, hidrosfera (a i atmosfera) podrijetlom su iz Zemljina plašta, budući da su plinovi praatmosfere (iste takve izbacuju i današnji vulkani) izbačeni vulkanizmom. Možemo se zapitati ima li u plaštu dovoljno vode da se stvori cjelokupna današnja hidrosfera. Zemljin plašt ima obujam od 1027 cm3 i prosječnu gustoću 4,5 g/cm3; množimo li jedno s drugim dobit ćemo masu od 4,5 * 1027 g. Usporedimo li to s današnjim morem (koje čini 96,5 % hidrosfere) koje ima masu 1,4 * 1024 g, možemo izračunati (masa mora / (masa plašta + masa mora) * 100) da je prvobitni plašt mogao izgubiti 0,031% svoje mase na račun današnjeg mora.

Pitanje je koliko je masenog udjela vode mogao imati prvobitni plašt. Znanstvenici smatraju da kameni (silikatni) meteoriti mogu uzeti kao tvar analogna tvari prvobitnog plašta. Ti meteoriti sadrže prosječno oko 0,5% masenog udjela vode, a to je u usporedbi s potrebnih 0,031% oko 16 puta više. Dakle, plašt je mogao biti izvor hidrosfere ako je izbacivanje vodene pare bilo dovoljno učinkovito. Oceani postoje oko 4 mlrd. godina, a uzme li se da je vodena para izbacivana tijekom 4 mlrd. godina današnjim intenzitetom vulkanske emisije, dolazi se do rezultata da su vulkani mogli izbaciti vodene pare u količini dovoljnoj za više od 100 Zemaljskih mora. Ako je i 99% te vode reciklirano još uvijek ostaje dovoljno za današnje oceane.

Američki astronom Louis Frank zapitao se je li moguće da je voda na Zemlju dospjela iz drugog izvora – od brojnih objekata iz svemira koji padaju na Zemlju. Iz fotometrijskih podataka satelita Dynamic Explorer I zaključio je da na Zemlju padaju kometima slični ledeni objekti koji isparavaju u Zemljinoj atmosferi. Prema sadašnjoj stopi izračunao je da bi Zemlja mogla na taj način primati 0,0025 mm vode godišnje. Tijekom 4 mlrd. godina ta količina je sasvim dovoljna za cijelu hidrosferu. Novija satelitska motrenja podržavaju Frankove opservacije ledenih objekata, no za sada nema dovoljno podataka koji bi utvrdili teoriju. Glede podrijetla hidrosfere, najvažnije rasprave koje mogu uslijediti jest koliki je udio vode dospio na Zemlju iz svemira.

Pripremljeno prema Thurman & Burton, 2001: Introductory Oceanography, Prentice Hall i drugim izvorima.