Onderzoekers ontdekken een over het hoofd geziene bron van het water op aarde.

Onze planeet is behoorlijk waterrijk. En onderzoekers vragen zich al jaren af waar dat water precies vandaan komt. “Kometen bevatten een hoop ijs en kunnen (onze planeet, red.) in theorie van water hebben voorzien,” vertelt onderzoeker Steven Desch. Voor planetoïden – die weliswaar een stuk minder water bevatten dan kometen – geldt hetzelfde. Maar Desch en collega’s boren in een nieuw paper een andere – over het hoofd geziene – bron van het water op aarde aan. Volgens de onderzoekers heeft onze planeet – terwijl deze ontstond – een grote hoeveelheid waterstof – de voorloper van water – onttrokken aan de gaswolk die onze pasgeboren zon omringde. “Omdat waterstof plus zuurstof water maakt en zuurstof overvloedig voorkomt, kan elke bron van waterstof dienst hebben gedaan als bron van het water op aarde,” redeneert Desch.

Planetoïden
Onze zon – en later ook de planeten – werden geboren uit een zonnenevel: een grote verzameling gas en stof. Het belangrijkste ingrediënt in die zonnenevel? Waterstofgas. Met dat in gedachten lijkt het vreemd dat men niet eerder op het idee is gekomen dat de aarde een aanzienlijk deel van haar water uit die zonnenevel haalde. Maar die schijnbaar voor de hand liggende bron van water werd jarenlang achteloos opzij geschoven, omdat er andere veelbelovende hypothesen waren over hoe onze planeet aan water kwam. “De zonnenevel heeft de minste aandacht gekregen, ook al was deze het belangrijkste waterstofreservoir in ons jonge zonnestelsel,” aldus onderzoeker Jun Wu. Hoe zit dat? Om de afkomst van water te achterhalen, kijken onderzoekers naar de verhouding tussen twee ‘typen’ waterstof. Bijna alle waterstofatomen hebben een kern die uit één proton bestaat. Maar ongeveer 1 op de 7000 waterstofatomen hebben een kern die naast een proton ook een neutron bevat. Het laatstgenoemde isotoop wordt ook wel deuterium genoemd en kortweg aangeduid als D. De verhouding tussen het veelvoorkomende waterstofatoom (aangeduid als H) en deuterium (D) – oftewel de D/H-ratio – verraadt meer over de oorsprong van het water. Een voorbeeldje: water afkomstig van planetoïden heeft een D/H-ratio van ongeveer 140 ppm (deeltjes per miljoen), terwijl water afkomstig van kometen een D/H-ratio heeft die op kan lopen tot wel 300 ppm. Wetenschappers weten dat de aarde niet alleen aan het oppervlak een grote hoeveelheid water heeft. In gesteente in de mantel is nog eens twee keer meer water te vinden. Dat water heeft een D/H-ratio van ongeveer 150 ppm en het lijkt daarmee aannemelijk dat dat water afkomstig is van planetoïden. De zonnenevel lijkt geen geschikte bron, omdat het waterstofgas aldaar een D/H-ratio van slechts 21 ppm had. Kortom: isotopen leken – als het ging om de oorsprong van een groot deel van het water op onze planeet – zo overduidelijk naar planetoïden te wijzen, dat andere bronnen eigenlijk niet eens in overweging werden genomen.

De verhouding is veranderd
Maar, zo stellen Wu en collega’s nu, waar onderzoekers onvoldoende rekening mee hebben gehouden is dat allerlei factoren en processen de D/H-ratio van waterstof op aarde gaandeweg hebben veranderd. “Dat betekent dat we het opgeloste zonnenevel-waterstofgas niet moeten negeren,” aldus Wu. In hun studie tonen Wu en collega’s aan dat de relatieve hoeveelheid deuterium tijdens de vorming van de aarde toenam. En dat staat los van de bron van het water; de toename was het resultaat van allerlei – soms vrij heftige – gebeurtenissen die de jonge aarde te verstouwen kreeg.

Terug naar het begin
Onze planeet ontstond door een samenklontering van materialen afkomstig uit de zonnenevel. Zo ontstonden planetaire embryo’s: objecten die qua grootte tussen de maan en Mars inzaten en door onderlinge botsingen en fusies gaandeweg gegroeid waren. In die embryo’s bevonden zich radioactieve elementen die in verval raakten. Daarbij kwam warmte vrij, waardoor het ijzer in de embryo’s smolt en de embryo’s van planetoïden afkomstig waterstof – dat door ijzer wordt aangetrokken – in hun kern konden invangen. Hoe groter een embryo gaandeweg werd, hoe ernstiger ook de botsingen onderling werden. En zo kon het zomaar gebeuren dat het embryo waaruit onze planeet voortkwam een botsing meemaakte die ervoor zorgde dat het complete oppervlak smolt en een zogenoemde magma-oceaan ontstond. Gesmolten ijzer in de magma trok waterstof uit de primitieve atmosfeer (die weer voortkwam uit de zonnenevel). Het ijzer bracht de waterstof uit die primitieve atmosfeer – samen met waterstof afkomstig van andere bronnen – naar de mantel en uiteindelijk werd de waterstof geconcentreerd in de kern van het embryo. Ondertussen speelde er nog een ander belangrijk proces tussen het gesmolten ijzer en de waterstof. Deuteriumatomen (D) zijn namelijk lang niet zo dol op ijzer als hun tegenhangers (H), waardoor er in het gesmolten ijzer relatief veel H te vinden was terwijl er in de magma relatief meer D bleef hangen. Het resultaat: de kern verkreeg geleidelijk aan een lager D/H-ratio dan de mantel (die ontstond nadat de magma-oceaan was afgekoeld).

Zeven of acht oceanen
Maar daarmee is nog niet alles gezegd. Want het embryo botste en fuseerde nog eens en groeide zo uit tot de proto-aarde. Maar daarbij ontstond dus opnieuw een magma-oceaan aan het oppervlak en zo herhaalde het hierboven beschreven proces zich nog eens, waardoor die verhouding tussen D en H opnieuw veranderde. “Het eindresultaat is dat de aarde waarschijnlijk ontstond met genoeg waterstof om zeven of acht wereldwijde oceanen mee te vullen,” vertelt Desch. “Het grootste deel van het water kwam inderdaad van planetoïden.” Maar ook de zonnenevel deed een duit in het zakje. “Onze planeet verbergt het grootste deel van de waterstof in zijn binnenste, met ongeveer twee wereldwijde oceanen aan water in de mantel, vier tot vijf in de kern en dan natuurlijk nog eentje aan het oppervlak.”

De nieuwe inzichten passen keurig in het beeld dat we momenteel hebben van de totstandkoming van de zon en planeten. Maar mogelijk heeft het onderzoek ook implicaties voor leefbare planeten buiten ons zonnestelsel. Veel van deze exoplaneten zijn mogelijk ontstaan op plekken waar ook waterrijke planetoïden het levenslicht zagen, maar tegelijkertijd kunnen ze ook waterstofgas aan de zonnenevel waaruit hun moederster geboren werd, onttrokken hebben. “Onze resultaten suggereren dat de totstandkoming van water vrijwel onvermijdelijk is op exoplaneten die groot genoeg en rotsachtig zijn.”