Woda, wszędzie woda. Jak tylko oczy naszych teleskopów badają kosmos, to widzą więcej jednej cząsteczki niż czegokolwiek innego. Woda znajduje się w ogromnych chmurach wokół odległych kwazarów, czy w atmosferze planet gigantów.
Coraz bardziej rozbudza to naszą nadzieję na ujrzenie czegoś, czego nie widzieliśmy do tej pory – pięknego, błękitnego, wodnego świata, takiego jak Ziemia. Patrząc się na liczbę światów jakie znamy, które krążą w ekosferze innych gwiazd, znalezienie podobnego do naszego wydaje się być kwestią czasu.
Czy jest to faktycznie takie proste? Im więcej dowiadujemy się w jaki sposób Ziemia uzyskała i utrzymała wodę, tym bardziej sytuacja taka wydaje się niesamowicie szczęśliwa i przypadkowa. Dodatkowo wraz ze wzrostem wiedzy jak woda jest przechowywana w naszym Układzie Słonecznym, nasza planeta zaczyna wyglądać nieco jak odszczepieniec. Nawet w wypełnionym wodą wszechświecie, Ziemia może być jedynym w swoim rodzaju, pośród innych – bardziej dziwnych i nieprzyjaznych do życia – światów. Jesteśmy w posiadaniu jednego z największych skarbów w kosmosie – oceanów.
Woda jest najczęściej spotykanym związkiem we Wszechświecie i jest połączeniem najbardziej powszechnych pierwiastków – wodoru i tlenu. W przestrzeni kosmicznej ma zazwyczaj formę lodowych ziarenek lub brył czy powłok na cząsteczkach międzygwiezdnego pyłu, a nawet bardzo słabo rozproszonego gazu. Woda aby pojawić się w stanie płynnym, który był bodźcem do powstania życia na Ziemi, musi w stanie gazowym znaleźć się w odpowiedniej temperaturze oraz musi być poddana wpływowi ciśnieniu dzięki grawitacji. Na ogół wymaga to sąsiedztwa jakiejś gwiazdy – a to nie zawsze gwarantuje miejsce przyjazne do przebywania.
Nasze Słońce zaświeciło około 4.5 miliarda lat temu, rozdzielając składniki z dysku gazowego oraz pyłu, który krążył wokół niego, a także znacznie starszych elementów, które napłynęły z odległych międzygwiezdnych chmur pyłu. Będące w pobliżu substancje o najwyższych temperaturach topnienia skropliły się, tworząc surowy materiał, z którego później powstawały skaliste planety. Uważa się, że pozostałe związki, wliczając w to parę wodną, zostały “wymiecione”, aby mogły skondensować w dalszej odległości, w niższych temperaturach. Jedynie poza “linią śniegu”, czyli tam, gdzie obecnie krąży Jowisz, woda mogła uformować komety czy planety o lodowej powłoce.
W tym miejscu napotykamy się na pierwszą zagadkę. Ziemia uformowała się wewnątrz linii śniegu naszego Układu Słonecznego i wciąż w niej pozostaje. Skąd zatem uzyskała ona swoją wodę? Jeden z pomysłów mówi, że być może stało się tak podczas gwałtownego procesu zderzania się skał (z których uformowała się planeta), które posiadały nieco wody. Ta natomiast miałaby następnie być “wydychana” w postaci pary poprzez wulkany, a następnie zamieniałaby się w deszcz w gęstej, pierwotnej atmosferze. Możliwe jest również, że oceany powstały dzięki zdarzeniom, które nadeszło z nieba – z komet czy asteroid pochodzących spoza linii śniegu, które rozbiły się o młodą Ziemię.
Niezależnie od pochodzenia – mamy oceany. Pojawiły się i są na naszej planecie od około 3.8 miliarda lat (szacując na podstawie najstarszej warstwy skalnej zawierającej wodę). Jak zatem Ziemi udało się utrzymać tak długo swoje oceany, to kolejna zagadka.
Jest to tym bardziej zaskakujące, że niewiele tej wody posiadamy. Obraz naszej planety, jako tzw. błękitnej planety jest nieco na wyrost. Centrum Ziemi leży około 6400 kilometrów w dół, jednak oceany są głębokie średnio na 4 kilometry, a w swoich najgłębiej położonych momentach ledwo przekraczają 11 kilometrów. Wody stanowią jedynie wilgotną powierzchniową warstwę, niczym cienka skórka otaczająca jabłko.
Przyglądając się naszym sąsiadom – Marsowi i Wenus – możemy jeszcze śmielej stwierdzić, że Ziemia była szczęściarą. Obie wspomniane planety miały na początku swojego istnienia wodę na powierzchni, a może nawet oceany. Na zamarzniętym Marsie do dziś widzimy starożytne linie brzegowe, liczące sobie około 3 miliardy lat, a także minerały ilaste, które powstały w wodzie. Wkrótce potem Mars stracił większość ze swojej atmosfery oraz ochronnego pola magnetycznego, co spowodowało, że para wodna uciekła z planety. Natomiast Wenus to obecnie istne piekło otoczone przez duszące chmury, pełne kwasu siarkowego. Jednakże badania tej planety wykazują, że swojego czasu również była bogata w wodę w stanie płynnym. Wzrost stężenia pary wodnej oraz dwutlenku węgla doprowadził do powstania efektu cieplarnianego, który wygotował całą wodę.
Co spowodowało, że sprawa inaczej wygląda z Ziemią? Prawdopodobnie kluczem do odpowiedzi jest ułożenie naszych płyt tektonicznych. Ruch segmentów górnych warstw Ziemi jest niepowtarzalny, jeśli brać pod uwagę inne skaliste planety z naszego Układu Słonecznego. Wpadają jedna na drugą, powodując m.in. wybrzuszenia czy zjazdy w głąb gorącego płaszcza planety. Istnieją dowody, że takie ruchy próbowały się zainicjować na Marsie, jednak jeśli nawet udało się tamtejszej tektonice wystartować, to nie trwało to długo. Na Ziemi takie zachowania stworzyły naturalne zagłębienia, baseny oceaniczne, przykrywane przez gęstą, nowo tworzącą się skorupę. Dzięki temu planeta mogła utrzymywać zarówno wodę głęboko, jak i płytkie morza, znajdujące się na lżejszej, starej skorupie kontynentów. Dno tych zbiorników jest pęknięte w miejscach, gdzie zachodzi subdukcja – w teorii tektoniki płyt, proces polegający na wciąganiu lub wpychaniu jednej płyty litosferycznej (płyty oceanicznej) pod drugą (oceaniczną lub kontynentalną). Efektem tego woda jest jakby wyciśnięta z powrotem, aby pojawić się jako gaz wulkaniczny (składający się głównie z pary wodnej).
Ciągła cyrkulacja wody i mało prawdopodobne współistnienie mokrej i suchej powierzchni, okazuje się czynnikiem kluczowym. Woda wyparowuje z oceanów i kondensuje w postaci deszczu, który spada na planetę, jednocześnie modulując skład atmosfery i temperatury globalnej. Utworzona w ten sposób atmosfera posiada pokrywę – “zimną pułapkę”, stworzoną przez chłodną stratosferę, która zamraża parę wodną i nie pozwala jej uciec w przestrzeń kosmiczną. Poniżej tej pokrywy, co może wydawać się dziwne, trzy stany skupienia wody – stały, płynny i gazowy – współistnieją ze sobą cały czas: jedynie powierzchnia planety jest znana z tego, że utrzymuje się ona tam przez tak długi czas.
Dla kompletności tej niesamowitej maszynerii, tektonika płyt również potrzebuje wody do różnych funkcji, takich jak smarowanie poruszających się płyt tektonicznych czy zmiękczanie minerałów w płaszczu ziemskim, dzięki czemu topią się one łatwiej. Geochemik Francis Albarede z Ecole Normale Supérieure W Lyonie (Francja), uważa, że pojawienie się wody z przestrzeni kosmicznej spowodowało ruch płyt tektonicznych około 3 miliardów lat temu. Jeśli teoria okazałaby się prawdziwa, oznaczałoby to, że woda sama stworzyła sobie unikalne warunki i możliwości do długiego pozostania na naszej planecie.
Nasz wyjątkowy układ płyt tektonicznych pozwolił również na rozmieszczenie soli w oceanach. Sole są wymywane ze zwietrzałych skał na ziemi do morza, jednak również – od czasu do czasu – wydobyte z morza w olbrzymich ilościach. Ostatni zanotowany “kryzys zasolenia” miał miejsce 6 milionów lat temu, kiedy Cieśnina Gibraltarska została zablokowana tektonicznie. Wyizolowane Morze Śródziemne wyparowało w ciągu miliona lat, pozostawiając grubą na 3 kilometry warstwę soli, tworząc oślepiającą, toksyczną pustynię. Do czasu kiedy woda wytrysnęła ponownie, około 5% oceanicznej soli zniknęło w skale.
KRĘTA EWOLUCJA
Zatem ziemskie oceany stały się raczej mniej zasolone w czasie geologicznym, niż ewoluowały poprzez stałe dodawanie soli, do i tak już mocnej solanki. Stało się tak na całe szczęście dla nas – taki wzmacniany wciąż napar siał by spustoszenie wśród biologicznych organizmów, hamując wzrost życia. Życia, które przez 90% swojego czasu na Ziemi, miało w zasadzie związek właśnie z oceanami.
Oceany i życie współewoluowały w długim, pokrętnym procesie. Pojawienie się fotosyntezy znaczyło, że niebezpieczny, ale naładowany energią pierwiastek, jakim jest tlen, powoli rozprzestrzeniał się wśród wód oceanów, oczyszczając je z miliardów ton rozpuszczonego żelaza, tworząc nierozpuszczalne tlenki. W pewnym okresie, który nazywa się “nudnym miliardem”, oceany zostały wówczas wypełnione siarkowodorem, z powodu iż leżące wciąż w głębinach wód jony siarczanowe, zostały obdarte z tlenu przez pierwsze mikroby. Proces ten zamknął dynamikę mikroelementów, a rozwój oceanów spadł do ślimaczego tempa. Poprzez ogromny okres czasu natlenienie jednak postępowało, aż w końcu ewolucja wód na naszej planecie nabrała ponownie tempa. W końcu pojawiło się życie wielokomórkowe.
Czy życie także postawiło swoje pierwsze kroki na naszych mniej-oceanicznych sąsiadach? Co około pół miliarda lat Wenus wymienia swoją skorupę poprzez ogromne wylewy magmowe, które zamazują wszystkie wczesne skamieniałości. Jeśli chodzi o Marsa, to wciąż czekamy co powiedzą nam łaziki, których zmysły wyostrzają się z każdą nową generacją. Być może znajdziemy tam jakieś skamieliny, które byłyby dowodem życia, a może nawet kilka odpornych bakterii, czających się wilgotniejszych płaszczyznach w pobliżu powierzchni planety.
Spójrzmy dalej w nasz Układ Słoneczny w poszukiwaniu oceanów. Misje sięgające głębiej w kosmos pokazały, że istnieją ciała pełne wody znacznie większe niż Ziemia, jednakże jak łatwo się domyśleć, znajdują się poza linią śniegu, szczególnie wśród nietypowego zestawu księżyców orbitujących wokół Jowisza i Saturna. Nie są to jedynie nudne globy, nabite skałą lub lodem, tak jak kiedyś sądzono.
Te odległe, podziemne oceany formują się poprzez taki sam mechanizm jak wiry, których obawiali się starożytni marynarze – pływy (przypływy i odpływy). Prawie pół miliarda kilometrów od nas, ciepło wytworzone przez grawitacyjną interakcję z olbrzymim Jowiszem, powoduje topnienie lodu i powstanie najprawdopodobniej głębokiego na 100 kilometrów oceanu tuż pod powierzchnią Europy, czwartego co do wielkości naturalnego satelity, największej planety w naszym Układzie Słonecznym. Niektóre badania sugerują, że poniżej oceanu może być coś na wzór lodowych płyt tektonicznych. Podobnie ma się sprawa z siostrzanym księżycem Europy – Callisto, który posiada również wewnętrzny ocean, zakopany głęboko pod grubą, starą pokrywą lodu. Te same przypuszczenia są odnośnie kolejnego księżyca – Ganimedesa.
Tytan, który okrąża Saturna, jest jedynym miejscem w naszym systemie planetarnym z tak ogromną ilością wody w stanie płynnym (poza Ziemią oczywiście). Znajdują się na nim morza pełne węglowodorów, takich jak metan, propan czy etan, które mogą pozostać ciekłe nawet w temperaturze -170°C. Największe jezioro w tym miejscu nosi piękną nazwę Kraken Mare i ma 1000 kilometrów szerokości.
Ponadto znajduje się tam głęboko leżący wodny ocean, chroniony przed zimnem na powierzchni przez… pokrywę lodu. Kolejny księżyc Saturna – Enceladus – prawdopodobnie również ukrywa w sobie oceany. To wpływ Saturna wygina jego pokrywę lodową, o czym świadczą pojawiające się fontanny wody w pobliżu północnego bieguna tego księżyca. Owe tryśnięcia wody oczywiście zamarzają do razu. Pod koniec zeszłego roku, analiza danych nadesłanych przez misję Cassini, sugeruje, że kolejny księżyc – Mimas – również jest gospodarzem wewnętrznego oceanu.
Patrząc jeszcze dalej wciąż znajdujemy wiele wody, jednakże przeważnie w lodowej formie, najczęściej splecionej wraz z azotem i amoniakiem. Ostatni z oceanów w naszym Układzie Słonecznym, posiadający płynną formę, możliwe, że leży pod powierzchnią Trytona – księżyca Neptuna – którego nasycenie amoniakiem działa jak środek przeciw zamarzaniu. Kiedy lód na tych ciałach ogrzeje się wystarczająco, raczej nie topi się, ale wytłacza się w górę, tworząc lodowe wulkany.
Zatem licząc dwa na Tytanie, daje nam to sumę dziewięciu oceanów w naszym systemie planetarnym. Większość z nich jest odległych, pozbawionych światła i ukrytych. Czy mogą być zatem siedliskiem życia?
Wciąż jest to możliwe, jednakże podpowierzchniowe lokalizacje oceanów oznaczałyby metabolizm bez udziału tlenu, w zimnej ciemności. Wiele ziemskich bakterii robi jednak tak samo. Przez pierwszy miliard lat w ziemskiej biosferze nie było tlenu. Jeśli jest coś, co na pewno nauczyliśmy się o mikrobach, to fakt, że są na prawdę dobre w radzeniu sobie w trudnych warunkach, przy deficycie składników odżywczych.
Pojawiają się jeszcze dalsze pytania – jak słone są te głęboko ukryte wody, jakie rodzaje prądów się tam znajdują oraz w jaki sposób wchodzą one w interakcje w otaczającymi skałami i lodem? Czy warstwy osadowe budują się na ich dnach? Są to wielkie niewiadome, jednakże istotne dla określenia szans powstania i rozwinięcia się tam form życia. Z przyczyn oczywistych bezpośrednio przeprowadzone pomiary są obecnie niemożliwe.
Odpowiedzi może dostarczyć jednak sama Ziemia. Oceany naszej planety były swojego czasu pokryte lodem, później wolne od niego, bardziej statyczne, a następnie pełne dynamiki i gorących temperatur (być może nawet cieplejszych niż dobra filiżanka herbaty w zimowy wieczór!). Zapisy kopalne wczesnych oceanów mogą być dobrymi wskazówkami, w jaki sposób oceany rozwijają się w innych miejscach kosmosu. Fakt, że życie przetrwało w ziemskich oceanach przez wszystkie ich wczesne okresy, może być dobrym omenem odnośnie istnienia życia na innych ciałach niebieskich.
Inne pytanie brzmi, jak wiele nasz Układ Słoneczny może powiedzieć o innych systemach? W ostatnich dwóch dekadach mieliśmy okazję poznać wiele nowych planet i systemów słonecznych, a także sporo kosmicznych “niespodzianek”. Mamy “gorące Jowisze”, gazowe giganty znajdujące się nietypowo blisko gwiazd, które obiegają. Spotkaliśmy już “super-Ziemie” – skaliste planety, o wiele bardziej masywne od naszej. Wiele z planet ma dziwaczne, zapętlone orbity zupełnie odmienne od tych jakie znamy w naszym sąsiedztwie, czyli przypominających kształt koła. Fakt, że nasz Układ Słoneczny nie jest standardem obowiązującym we Wszechświecie, jest już nie możliwy do podważenia. Zatem wzór i zasady pojawiania się oceanów, a także potencjalnego rozwoju w nich życia, mogą być całkowicie odmienne od naszych archetypów.
Istnieje również kilku kandydatów na wodne światy. Super-Ziemia, czyli 55 Cancri-e, gdzie woda znajduje się w stanie nadkrytycznym – nie jest do końca wodą, nie jest jeszcze całkiem parą (poprzez bliskie krążenie wokół rodzimej gwiazdy). To coś w stylu przegrzanej pary, wykorzystywanej do odkofeinowania ziaren kawy. Inne badania sugerują jednak, że planeta jest bardziej węglowym, niż wodnym światem i prędzej znajdziemy tam diamenty niż parę wodną. Kolejna duża, gorąca planeta o niskiej gęstości, GJ 1214 b, może okazać się kolejnym wodnym światem, gdzie ciśnienie w oceanie głębokim na około 1000 kilometrów, transformuje gorącą wodę w gorący lód. Żaden scenariusz jaki znamy, nie wiąże się z rozwojem życia, które poznaliśmy na naszej planecie.
POCZĄTEK KOŃCA
Jednakże planet pełnych oceanów jak Ziemia, znajdujących się w zasadzie w tzw. “strefie złotowłosej”, czyli inaczej w ekosferze, w pobliżu linii śniegu – wciąż nie odnaleziono. Być może należący do NASA, Teleskop Kosmiczny James Webb, którego uruchomienie zaplanowano na 2018 rok, pomoże nam w odkryciu i potwierdzeniu obiektów bliźniaczych naszej planecie. A czy będą to miejsca mniejsze, czy może ogrzane przez grawitację księżyce czy jeszcze inne – to kompletnie odmienna kwestia.
Żyjemy w erze rozwoju i wzrostu, jednakże wciąż operujemy niedoskonałymi informacjami. Jednakże wszystkie znane do tej pory przesłanki mówią, że długotrwałe, znajdujące się na powierzchni oceny są raczej wyjątkiem niż regułą. W normalnym porządku rzeczy powinny one trwać jeszcze około miliarda lat, zanim Słonce nagrzeje się wystarczająco, aby je odparować z powierzchni planety, a następnie przebije je przez zimną pułapkę stratosfery i wypchnie w przestrzeń kosmiczną. Wówczas Ziemia stanie się suchym, kamiennym i pozbawionym życia miejscem, gdzie prawdopodobnie płyty tektoniczne zostaną pozbawione swojego smaru i utkną w martwym punkcie. Być może zamarznięte i zakopane morza na Marsie doczekają się odwilży i ponownie pojawią się w przyszłości, jednakże Ziemia bez oceanów będzie bezpłodnym miejscem.
Tak na prawdę koniec może przyjść znacznie szybciej i to my możemy być tego powodem. Wspomniany ostatni miliard lat ziemskich oceanów nie musi być tak odległy czy mieć w ogóle znaczenie w utrzymaniu życia w tej części Wszechświata. Przełowienie, nadmierny połów ryb, duszących się wśród plastikowych odpadów wraz z coraz szybciej postępującym ociepleniem planety, a także jej zakwaszeniem, mogą spowodować najgorszy koszmar francuskiego biologa morskiego, Daniela Pauly, a mianowicie “Myxocen” – nową erę, której nazwa pochodzi od greckiego słowa “śluz”. Wizja beztlenowych oceanów, miejsca gdzie tylko bakterie śluzu i meduzy będą w stanie przetrwać i powstanie Ery Śluzu, nie jest wcale taka niemożliwa. Byłby to smutny początek końca, istniejącego już tak długo kosmicznego skarbu jakim jest nasza planeta. Tak jak wszystko co możemy utracić, warto szanować, zanim przekroczymy punkt, za którym nie będzie już odwrotu, Nawet przy geodezji, tektonice czy astronomii warto zastanowić się nad własnymi, codziennymi działaniami.