2.3. A világóceán keletkezése

Ha a világóceán keletkezéséről kívánunk beszélni, akkor nem biztos, hogy a megfelelő (adekvát) kérdést tesszük fel. Szinte 0% ugyanis annak a valószínűsége, hogy a földi hidroszférát és krioszférát alkotó víz teljes tömege nem egy adott, viszonylag rövid föltörténeti időszakban keletkezett volna. A kérdés tehát helyesebben feltéve így hangzik: mi a földi víz eredete, miért van jelentős víztakaró a Földön (és az Európán), amikor a többi kőzetbolygón (és holdon) nincsen? Rögtön meg is válaszoljuk kérdésünket: a választ nem ismerjük!

Ugyanakkor számos többé-kevésbé elismert elmélet van arra, hogy a földi hidroszféra hogyan is jöhetett létre a Föld történetének elmúlt 4,6 milliárd éve során. Ezeket foglaljuk össze a továbbiakban.

A világóceán (amely akkor valószínűleg az egész hidroszférát jelentette) keletkezését valószínűleg a következő tényezők együttes hatása idézte elő:

A víz szerepét a Föld, mint bolygó fejlődésében a következőkben foglalhatjuk össze:

A Föld ősanyagában, azaz abban a gravitációs anyagcsomóban, melyből a Föld kialakult, jelentős mennyiségű víznek kellett lennie. Sajnos azonban a vízmolekulák – könnyűségük miatt – könnyebben megszökhettek a Föld gravitációs teréből, amikor az még nem volt ilyen erős (a proto-Föld sűrűsége kisebb volt). Valószínű, hogy a hidrogén és a hélium folyamatosan szökött a formálódó, olvadt felszínű bolygó (2.10. ábra) légköréből, de az a tény, hogy a sűrűbb nemesgázok is csak elenyésző mennyiségben fordulnak elő a jelenlegi légkörben, megerősíteni látszik azt a tényt, hogy a Föld korai történetében egy nagyléptékű katasztrófa történt. Jelenleg azt feltételezik, hogy egy becsapódást, vagy közeli találkozást követően a fiatal bolygó anyagának egy része kiszakadt, és ebből keletkezett a Hold (2.11. ábra). Ennek során a felszín egy vagy két jelentős része (a kiszakadási zóna, és esetleg az azzal átellenes rész) teljesen megolvadt. (A bolygó teljes újbóli megolvadása nem valószínű, a kőzetanyag nagy olvadási hője miatt.) Mindazonáltal a katasztrófa során jelentős mennyiségű kőzet elpárolgott és a légkörbe került. Az elgőzölgött kőzetek a becsapódást követő mintegy két évezred folyamán kondenzálódtak forró folyadékká, és a légkör nagy nyomású szén-dioxid légkörré vált, amely jelentős mennyiségű hidrogént és vízgőzt tartalmazott. Folyékony vízből álló óceánok létezhettek ebben az időszakban a mintegy 230 ºC felszíni hőmérséklet ellenére is, a CO2 légkör magas nyomása (1– 5 MPa) miatt (2.12. ábra). Ahogy a hűlés tovább folytatódott, a szubdukció és az óceán vizében való oldódás a szén-dioxid legnagyobb részét „kimosta” a légkörből, ennek ellenére a későbbi földtörténeti korok során – a felszín és a köpeny ciklikus változásait követve – a légköri szén-dioxid tartalom számos ugrásszerű változáson ment át.

A földtörténeti őskor Földjének olvadt lávaóceán-felszínének feltételezett rajza

2.10. ábra. Fantáziakép a földtörténeti őskor Földjének lávaóceán felszínéről (Forrás: http://astroclock2010.files.wordpress.com/2010/05/early_magma_ocean.jpg)

A Hold feltételezett kiszakadása a Földből

2.11. ábra. A Hold feltételezett kiszakadása a Földből (Forrás: http://scienceblogs.com/startswithabang/files/2010/07/moon_formation1.jpeg)

A víz 2D fázisdiagramja a p-T állapottérben, és ugyanez 3D-ban a log p- log ρ -T állapottérben.

2.12. ábra.A víz 2D fázisdiagramja a p-T állapottérben, és ugyanez 3D-ban a logp-logρ-T állapottérben (Forrás: http://networkologies.files.wordpress.com/2011/01/phase.gif; http://www.lsbu.ac.uk/water/images/den.gif)

A geológiai (urán-ólom alapú radiometrikus) kormeghatározásban fontos szerepet játszó cirkónium (ZrSiO4) kristályok vizsgálatával megállapítható volt, hogy folyékony víz már 4,4 milliárd évvel ezelőtt is létezett a Földön. Ehhez szükséges volt az ún. őslégkör jelenléte. Az ún. „hűvös korai Föld” elmélete értelmében ez az időszak 4 milliárd évvel ezelőttig, tehát kb. 400 millió évig tartott. Ausztráliában talált, a geológiai őskorból származó (Hadean period) cirkon-kristályok legújabb vizsgálatai (2008 őszén) azt mutatták, hogy a lemeztektonika már abban az időben is működött, tehát nem volt olvadt felszín és nagynyomású szén-dioxid atmoszféra, hanem a maihoz hasonló körülmények uralkodtak. A szubdukció igen hatékony mechanizmus a szén-dioxidnak a földkéregből és így az óceánokból és a légkörből való eltávolítására, tehát lehet, hogy kezdettől semlegesítette annak üvegházhatását. Ez szilárd földfelszín kialakulását és esetleg még életformák megjelenését is eredményezhette.

A Földön kívüli (extraterresztrikus) objektumoknak a földi hidroszféra keletkezésében feltételezett szerepéről fentebb már elég részletesen szóltunk. A földi víztakaró üstökösökből való eredete azért valószínűtlen, mert az említett hidrogén-izotóp (D/H) arány a Halley-, a Hyakutake- és a Hale-Bopp üstökös esetében David Jewitt és mások vizsgálatai szerint mintegy kétszerese a világóceán vizében találhatónak. A kondritok (nem átalakult őskőzetből álló meteoritok, 2.13. ábra) ezzel szemben csaknem azonos D/H arányt mutatnak, mint a világóceán: ez az alapja A. Morbidelli elméletének, hogy a Föld korai időszakában a beleütköző nagy tömegű aszteroidok, proto-planéták víztartalma járult hozzá jelentősen a világóceán víztömegéhez. Mindez azonban bizonytalan, mert egyes kutatók szerint az óceánok vizének D/H aránya is jelentősen változhatott a földtörténet során. Az extraterresztrikus forrás-elmélet gyengeségei azt valószínűsítik, hogy a Föld vízkészletének túlnyomó része a bolygóval együtt keletkezett.

Egy kondrit: nem átalakult őskőzetből álló meteorit képe

2.13. ábra.Egy kondrit: nem metamorf kőzetmeteorit képe (Forrás: http://meteorite.weebly.com/uploads/4/0/1/5/4015050/6192446_orig.jpg)

A biokémiai forrásokról szólva létezik egy olyan elmélet, ami szerint az ősóceánban jelentős mennyiségben megtalálható hidrogén-szulfidot (H2S) és az őslégkört alkotó szén-dioxidot (CO2) a Földön leginkább az óceánközépi hátságok forró fekete kürtőinek szomszédságában, illetve a (szárazföldi) vulkánok közelében található forró vizű gejzírek környezetében jelenleg is létező hidrogén-szulfid alapú életformákhoz tartozó kemo-autotrop baktériumok – fényenergia felhasználásával, vagy anélkül – szerves anyagokká alakították, s e kémiai reakció során víz és elemi kén keletkezett. Példa erre az alábbi metán-szintetizáló reakció:

Nem zárható ki tehát, hogy a Földön található víz jelentős része bio-geokémiai úton keletkezett a kristályosodási és az előbb leírt fotoszintézis ill. Calvin-ciklus[2] folyamatok során.



[1] A „Neptunuszon kívüli objektumok” kifejezés azon bolygó, ill. kisbolygó méretű kőzetobjektumokra vonatkozik, amelyek keringési pályája részben, vagy egészben a naprendszer legkülső bolygója, a Neptunusz pályáján kívül esik, és szabálytalan (retrográd, elnyúlt stb.). Az elsőként felfedezett ilyen objektum a Plútó volt 1928-ban, de mára már több mint 1000 ilyen objektumot ismerünk. Ezek közül 198-nak (2009. novemberi adat) már olyan jól ismert a pályája, hogy állandó kisbolygó besorolást kaptak. A legnagyobb ismert Neptunuszon kívüli objektum az Eris (2005-ben fedezték fel), őt követi a Plútó, a Makemake és a Haumea.

[2] A Calvin-ciklus vagy Calvin–Benson-ciklus, vagy Sötét Reakció biokémiai reakciók sorozata, amelyek a fotoszintetizáló élőlények kloroplasztjában zajlanak le. A reakciót M. Calvin, J. Bassham és A. Benson fedezte fel 1950-ben radiokarbon (14C) analízis segítségével. A Calvin-ciklus fénytől nem függő (sötétben is zajló) reakció, mely a fotoszintézishez hasonlóan a szén szerves formában való megkötését eredményezi.