Océanos caídos del cielo

De pie en la orilla, con los ojos clavados en las olas rompiendo desde el horizonte, es fácil imaginar que el océano siempre ha estado allí, eterno. Nuestros ancestros lejanos ciertamente lo pensaron: en muchos mitos de la creación, existía un abismo oceánico antes de la aparición de la Tierra y la luz. Hoy sabemos que los océanos de nuestro planeta no siempre han estado presentes. El agua de los mares, la de todas las gotas de lluvia, su cuerpo y todos los sorbos de su taza de café son los restos de eventos antiguos, que han visto a los océanos literalmente caer del cielo.

¿De dónde viene el agua del Sistema Solar? ? La pregunta nos lleva de vuelta a la nube primordial gigante, compuesta de gas y polvo, que colapsó para formar el Sol y los planetas hace más de 4.500 millones de años. Esta nube era rica en hidrógeno y oxígeno, respectivamente, el primer y el tercer elemento más abundante del Universo (el segundo es helio, químicamente inerte). La mayor parte del gas fue absorbido por el Sol y los planetas gaseosos gigantes se formaron antes que los planetas rocosos. Parte del oxígeno aún libre estaba relacionado con otros átomos, como el carbono y el magnesio, luego el resto se combinó con hidrógeno para producir una masa de agua (H2O) varias veces mayor que la de las rocas en el Sistema Solar.

Y, sin embargo, los planetas más cercanos al Sol (Mercurio, Venus, Tierra y Marte) son principalmente rocosos y pobres en el agua. Esto resulta de las condiciones de su nacimiento. La nube que se convertiría en el Sistema Solar se derrumbó por primera vez, formando un disco giratorio, donde se formaron todos los planetas. La formación de planetas rocosos ha sido un proceso gradual. Los pequeños objetos del disco colisionaron y se agregaron, formando gradualmente objetos más grandes: los granos microscópicos se convirtieron en grava, luego rocas que daban ladrillos planetarios de kilómetro llamado planetesimales. Muchos de los planetesimales residuales de la formación planetaria se han convertido en los objetos que conocemos hoy como cometas y asteroides.

Y agua en todo esto ? En las regiones internas del disco, cerca del Sol, el intenso calentamiento de gas por fricción y una mayor luz solar probablemente han evaporado hidrógeno y otros elementos ligeros a regiones externas del Sistema Solar, dejando solo materiales relativamente secos a los planetas en formación en esta región.

Mientras que los cuerpos rocosos sin agua se desarrollaron cerca del Sol, un poco más allá, en la región del cinturón de asteroides actual y Júpiter, las temperaturas del disco fueron lo suficientemente bajas como para que el agua y otros elementos volátiles formaran hielo. Los astrónomos llaman «línea de nieve» (o hielo o gel) la zona de transición.

Recientemente, los astrónomos han observado líneas de nieve y colisiones planetesimales alrededor de estrellas cuyo disco está en plena formación planetaria. Vemos en otra parte los procesos esenciales que ciertamente han tenido lugar en el Sistema Solar. Si bien el mecanismo parece universal, muchos aspectos de la formación del océano terrestre aún no se han entendido y son objeto de una investigación activa. En particular, si el agua fue transportada a nuestro planeta inicialmente seco, de dónde proviene exactamente y cuándo llegó ?

El consenso es que la mayor parte del agua de la Tierra proviene de la región más allá de la línea de nieve. Los asteroides y los cometas son los candidatos más obvios. Habrían sido catapultados hacia la parte interna del Sistema Solar en los últimos trastornos de la formación planetaria. Se dice que trajeron agua a la Tierra durante los sucesivos bombardeos del planeta. Las nuevas medidas ayudan a refinar este escenario, pero también plantean preguntas y podrían apuntar a un mecanismo muy diferente.

Vista del espacio, el planeta Tierra debería llamarse más bien el «planeta oceánico». El agua cubre más de dos tercios de la superficie y los organismos vivos son generalmente igual de ricos. Los océanos, con una profundidad promedio de 4 kilómetros, contienen suficiente agua para llenar una esfera con más de 1.300 kilómetros de diámetro. Y, sin embargo, muchas personas se sorprenden al saber que toda esta agua representa solo el 0.02% de la masa de la Tierra. En otras palabras, si nuestro planeta tuviera la masa de un Boeing 777, o 300 toneladas, toda el agua en los océanos representaría solo un pasajero. El agua dulce contenida en las capas glaciales de los polos, nubes, ríos, lagos, suelo y todos los organismos vivos representa solo una pequeña fracción de este total.

Agua en la capa y el núcleo

Más agua estaría profundamente enterrada bajo nuestros pies, en el manto rocoso del planeta, que se extiende sobre un espesor de más de 3.000 kilómetros debajo de la corteza. Sin embargo, el agua no está en forma líquida. Es una parte integral de la estructura molecular de rocas y minerales «hidratados», que han sido impulsados bajo la corteza por procesos tectónicos. Una cierta cantidad de esta humedad atrapada en la roca puede escapar del abrigo y resurgir a través de los volcanes, pero la mayor parte permanece enterrada. Aún más profundo es el imponente núcleo planetario compuesto de hierro y níquel. Representando solo alrededor del 30% de la masa de la Tierra, potencialmente contiene aún más agua que la capa, en forma de hidrógeno que se uniría con oxígeno si el calor y la presión no fueran tan importantes.

Nadie sabe qué cantidad exacta de agua contiene el interior del planeta. Esta incertidumbre resulta de la falta de muestras de estas regiones, así como de una comprensión deficiente de la eficiencia del transporte de agua desde y hacia la superficie. Se puede estimar razonablemente que el abrigo solo contiene al menos tanta agua como los océanos, duplicando efectivamente el inventario acuático total de la Tierra. Pero aun así, al agregar esta agua a la de la superficie, alcanzamos el 0.04% de la masa del planeta: dos pasajeros de un Boeing 777 completamente cargado. Sin embargo, la pregunta sigue siendo: ¿cómo llegó el agua que nos rodea a la Tierra? ?

Al comienzo de su formación, la Tierra, como los otros planetas rocosos, presentó un área al menos parcialmente derretida durante unas pocas decenas de millones de años. Esta fusión es el resultado de la importante energía inyectada en el planeta por las nubes de planetesimales tan grandes como las montañas que cayeron sobre él. Existe evidencia geoquímica de que el océano de magma de la Tierra contenía agua; pero la roca ardiente en fusión no lo mantiene bien, y gran parte de la humedad de la proto-Tierra y los planetesimales se liberó como gas ionizado y vapor. Parte del agua se habría perdido en el espacio, mientras que una cierta cantidad habría caído en la Tierra durante su enfriamiento y habría quedado atrapada nuevamente en la roca antes de ser arrastrada profundamente en el abrigo.

Posteriormente, otros impactos gigantescos habrían modificado aún más el contenido de agua de la superficie y a poca profundidad. En particular, la Tierra parece haber chocado con un objeto (que los astrofísicos llamaron Theia) del tamaño de Marte hace unos 4.500 millones de años, expulsando una columna de material que se ha enfriado y luego aglomerado para formar la Luna. La energía de este impacto habría soplado una gran parte de la atmósfera, vaporizado en un instante los posibles océanos de agua y producido un océano de magma a varios kilómetros de profundidad. Si la Tierra recibió agua o no, la tremenda conmoción de este impacto habría drenado el planeta de prácticamente toda su agua primordial.

Cometas ricas en hielo de agua

Por lo tanto, los investigadores están estudiando de dónde vino el agua después de la formación del sistema Tierra-Luna y su enfriamiento. Desde la década de 1950 sabemos que los cometas son ricos en hielo de agua, y que ingresan al sistema solar interno desde dos grandes depósitos ubicados en el sistema solar externo: la correa de Kuiper (que comienza alrededor de la órbita de Plutón, ver páginas de figuras 30-31 y la nube de Oort (mucho más distante que el cinturón de Kuiper y que tal vez se extiende hasta la mitad de la estrella más cercana). Por lo tanto, muchos investigadores asumieron que los cometas eran la principal fuente de agua terrestre.

Sin embargo, esta idea se puso en dificultades desde la década de 1980, cuando los astrónomos realizaron las primeras mediciones de la relación de deuterio / hidrógeno (D / H) en los cometas de la nube de Oort. El deuterio es un isótopo de hidrógeno (su núcleo contiene un protón y un neutrón), y su prevalencia en comparación con la del hidrógeno normal (núcleo a un protón) es un marcador útil para determinar la historia de un objeto . Si el océano de la Tierra consistía en agua de cometa, su relación D / H debería corresponder aproximadamente a la de los cometas que estamos observando hoy. Sin embargo, los cometas de la nube de Oort tienen relaciones D / H dos veces más altas que las del agua de mar ordinaria. La mayor parte del agua terrestre debe tener otra fuente.

En los últimos años, las mediciones en cometas del cinturón de Kuiper han informado relaciones D / H comparables a las del océano, lo que ha revivido la teoría de los cometas como fuente de agua para la Tierra. Pero hoy, las nuevas medidas contradicen este resultado. De hecho, los instrumentos de sonda Rosetta de la Agencia Espacial Europea midieron en 2014 para el cometa 67P / Tchourioumov-Guérassimenko («Chouri») una relación D / H tres veces mayor que la de los océanos. Este resultado, junto con argumentos basados en la dinámica orbital de los cuerpos que llegan de regiones ricas en cometas, sugiere que incluso si los impactos cometarios pueden haber traído agua a la Tierra, en ocasiones, no son probablemente la fuente principal.

Los asteroides son la otra posibilidad que viene inmediatamente a la mente. Al igual que los cometas, estos planetesimales participaron en la formación de planetas. Los asteroides del «cinturón principal» están en órbita entre Marte y Júpiter, mucho más cerca de la Tierra que el cinturón de Kuiper. Como resultado, una vez desalojados de esta región, son mucho más propensos que los cometas a venir y golpear la Tierra. La Luna está plagada de cráteres que traicionan a un pasado rico en bombardeos de asteroides. Además, los muchos fragmentos rocosos de asteroides en la superficie de la Tierra, que llamamos en este caso de meteorito, nos recuerdan que la Tierra todavía es bombardeada regularmente con escombros interplanetarios. Al estudiar estas piezas de asteroides, podemos vislumbrar su historia más íntima y determinar si han podido alimentar los océanos terrestres. Los investigadores han demostrado que ciertas familias de meteoritos tienen relaciones D / H compatibles con las del agua de mar.

El deuterio designa meteoritos

Sin embargo, los meteoritos, como los asteroides de los que provienen, tienen una variedad de composiciones y contenidos de agua. Los asteroides en el borde interno del cinturón principal, ubicados aproximadamente el doble de la distancia Sol-Tierra, generan muchos meteoritos de roca pobres en el agua. Por otro lado, los asteroides de regiones más distantes son relativamente húmedos. Tienden a producir meteoritos llamados condritas de carbono, conglomerados de minerales hidratados y carbonatos, en los que el agua puede representar varios por ciento de la masa de la roca. Uno de nosotros (Edward Young) estudió la historia de estas rocas, inspirándose en las observaciones del agua que fluye a través de las rocas en la Tierra. La formación de minerales ricos en agua contenidos en condritas carbonosas tuvo lugar durante las reacciones entre roca y agua en forma líquida o gaseosa a temperaturas relativamente bajas, del orden de unos pocos cientos de grados centígrados . En la Tierra, estos minerales se forman cuando el agua se filtra a través de rocas porosas. Dentro de los meteoritos, dan testimonio de una época en que el agua helada se derritió y se hundió a través de la matriz rocosa del asteroide.

La fuente de calor que derritió este hielo de agua fue probablemente de aluminio 26, un elemento radiactivo que existía en abundancia en el joven Sistema Solar. Este isótopo de aluminio ha liberado cantidades significativas de energía durante unos pocos millones de años, mientras que se desintegra en magnesio 26. En los límites del joven Sistema Solar, más allá de la línea de nieve, el calor emitido por el aluminio 26 fue durante poco tiempo una fuerza poderosa que dio forma a la geología e hidrología de los asteroides ricos en elementos volátiles.

Durante unos pocos millones de años después de la formación del Sol, se dice que muchos asteroides contenían agua líquida, manteniendo sistemas de circulación hidrotermal como los presentes hoy en los respiraderos volcánicos a lo largo de las crestas oceánicas de la Tierra. Se dice que los carbonatos y minerales hidratados se formaron mientras que el agua salobre cálida se filtra a través de las grietas y grietas en el asteroide calentado radiactivo. Luego, en las últimas etapas de la formación planetaria, la gravedad de los planetas exteriores gigantes habría perturbado el cinturón de asteroides, impulsando cuerpos húmedos hacia el interior del Sistema Solar, en trayectorias que los hicieron chocar con la Tierra y otros planetas rocosos.

El escenario del suministro tardío de agua de los asteroides está respaldado por ciertos análisis químicos en la Tierra. Por ejemplo, elementos como el platino son siderófilos, es decir, tienen una gran afinidad química por el hierro y otros metales. En la Tierra muy joven que aún no se había enfriado, estos elementos se habrían asociado con el hierro y se habrían arrastrado con él a las profundidades del planeta para formar el núcleo. Por lo tanto, debe quedar muy pocos elementos siderófilos en el pelaje y la corteza. Como este no es el caso, hubo una contribución posterior de estos elementos. La abundancia de platino en la corteza terrestre y el manto se debería a un bombardeo de condritas, en una cantidad equivalente a aproximadamente el 1% de la masa de la Tierra.

El agua en estas condritas puede haber llenado los océanos. Con toda probabilidad, todos los planetas internos rocosos, y no solo la Tierra, fueron bombardeados por esta salva de asteroides en las etapas finales de la formación planetaria.

Sin embargo, surgen dificultades en este escenario al estudiar el contenido de agua de los océanos y meteoritos en xenón y argón, elementos químicamente inertes (apenas prestan a reacciones químicas). Como resultado de esta propiedad, estos elementos sirven como marcadores para diversos procesos físicos. Si los planetas rocosos y los asteroides están estrechamente relacionados, sus elementos inertes deben estar presentes en proporciones similares. Pero los astroquímicos han descubierto que la proporción de xenón es mucho menor en los materiales planetarios de la Tierra y Marte que en los meteoritos.

En los últimos años se han avanzado varias respuestas al problema de la falta de xenón. Algunos pondrían a los cometas en el centro de atención como proveedores de agua y otros elementos volátiles. Mientras escribimos estas líneas, los investigadores esperan con impaciencia las primeras mediciones sobre gases inertes del cometa Tchouri realizadas con la sonda Rosetta . Estas medidas pueden ayudarnos a responder definitivamente a la cuestión del origen de los océanos. Pero como suele ser el caso en la ciencia planetaria, también tienen una buena posibilidad de plantear preguntas más difíciles que continuarán alimentando el debate durante varias décadas.

En la búsqueda para determinar quién asteroides o cometas ha llenado los océanos de la Tierra, parece que no hay una solución simple. El problema puede no estar en la naturaleza, sino en las preguntas que hacemos. La dicotomía entre asteroides y cometas puede no ser tan clara como se pensaba anteriormente. Uno de nosotros (David Jewitt), junto con Henry Hsieh del Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia sinica de Taiwán, descubrió recientemente cometas en el cinturón principal de asteroides. Estos objetos siguen trayectorias comparables a los asteroides, pero expulsan el polvo periódicamente durante su revolución alrededor del Sol, como los cometas comunes. Estos objetos son ricos en hielo. Por lo tanto, los conceptos de cometas y asteroides no son tan claros y distintos como se pensaba anteriormente, lo que plantea preguntas sobre la homogeneidad de cada reservorio planetesimal.

Además, como hemos demostrado, la verdadera pregunta probablemente no sea tanto saber por qué la Tierra tiene tanta agua, sino por qué tiene tan poco. Esta cantidad muy limitada de agua ha sido traída por múltiples rutas, que dependen estrechamente de la historia exacta del planeta, los cuerpos que lo golpearon y las condiciones iniciales de su formación.

Todas estas ambigüedades dejan un espacio considerable para otros escenarios más exóticos para el suministro de agua, escenarios que pueden ser improbables, pero que no se pueden descartar.

En teoría, por ejemplo, es posible que la mayor parte del agua de la Tierra estuviera presente desde los inicios del planeta. Una nueva investigación sugiere que los iones de hidrógeno del viento solar podrían haberse acumulado para formar minerales hidratados en la superficie de las partículas de polvo interplanetario. Este polvo habría transportado este material acuoso a planetesimales y planetas en una etapa temprana de su formación. Pero aun así, Es difícil imaginar cómo un embalse tan viejo habría permanecido en las profundidades del abrigo para regresar solo después de los estragos de los grandes impactos que marcaron el final de la formación de nuestro planeta y el nacimiento de la Luna .

Los cuerpos más grandes que la mayoría de los cometas y asteroides también han llamado la atención recientemente. Considere el «planeta enano» Ceres, que, con 900 kilómetros de diámetro, es el asteroide más grande del Sistema Solar. En 2014, los investigadores observaron lo que parecía ser vapor escapando de Ceres a una velocidad de 20 toneladas por hora, apoyando la idea de que Ceres es rico en agua. La Tierra es aproximadamente 6,000 veces más masiva que Ceres. Si, como muchos sospechan, Ceres está compuesto por la mitad de agua, entonces el inventario total de agua (subterráneo y superficial) de la Tierra corresponde al agua que contendría unos cinco cuerpos similares a Ceres.

Este tipo de objeto estaba mucho más extendido en el sistema solar caótico temprano que en la actualidad, y es fácil imaginar que varios cuerpos del mismo tipo que Ceres han penetrado en el sistema solar interno y han golpeado la Tierra. Solo un puñado de estos objetos habría sido suficiente para proporcionar a nuestro planeta un océano, sin siquiera la contribución posterior de la lluvia de pequeños asteroides y cometas.

La sonda de la NASA Dawn ha estado en órbita alrededor de Ceres desde febrero de 2015. Debería permitir ver de cerca su hielo y sus emisiones gaseosas. Sus observaciones, sin duda, nos reservan nuevas sorpresas con respecto a la historia del agua en nuestro planeta y en otros lugares.

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *