Ruimtestof en meteorieten van de C-groep regenen neer op de jonge aarde.
University of Glasgow

Ruimtestof en de zon zijn de verrassende oorzaken van het feit dat de aarde zoveel water bevat

Met de aarde is iets vreemds aan de hand. Onze planeet heeft veel meer water dan de andere rotsachtige planeten in ons zonnestelsel. Een internationaal team heeft nu mogelijk een antwoord gevonden op de vraag waar al dat water vandaan komt. De verrassende oorzaak is de zon. Het team heeft overtuigend bewijs gevonden dat de zonnewind de chemische samenstelling van ruimtestof zo veranderd heeft dat er water in de korreltjes ontstaan is. Die zijn op de jonge aarde neergeregend en vormen zo, samen met bepaalde meteorieten, een verklaring voor de oorsprong van de overvloed aan water op de aarde. De bevindingen kunnen ook toekomstige ruimtemissies helpen water te vinden op planeten zonder lucht.   

Planetaire wetenschappers breken zich al tientallen jaren het hoofd over de oorsprong van onze oceanen, die meer dan 70 procent van het oppervlak van de aarde bedekken. 

Eén theorie stelt dat een soort van water bevattende ruimterotsen die bekend staan als C-klasse asteroïden het water naar onze planeet hebben gebracht in de laatste fase van haar ontstaan, zo'n 4,6 miljard jaar geleden.  

Om die theorie te testen, hebben wetenschappers in het verleden de isotopische 'vingerafdruk' geanalyseerd van brokstukken van C-klasse asteroïden die op aarde gevallen zijn als een bepaald soort meteorieten, namelijk waterrijke koolstof- of C-chondrieten. 

Isotopen zijn atomen van een bepaalde chemische stof die in hun kern uiteraard hetzelfde aantal protonen hebben, maar een verschillend aantal neutronen. Waterstof heeft in de meest voorkomende isotoop 1 proton en geen neutronen, deuterium is een stabiele isotoop van waterstof met 1 proton en 1 neutron in de kern. 

Als de verhouding tussen waterstof en deuterium in het water van de meteorieten overeen zou stemmen met de verhouding in het water op aarde, zouden de wetenschappers kunnen besluiten dat meteorieten van de C-groep waarschijnlijk de bron van dat water vormden. 

De resultaten van de isotopische analyse waren echter niet eenduidig. Hoewel de deuterium/waterstof-vingerafdruk van sommige waterrijke meteorieten wel overeenstemde met die van het water op aarde, was dat bij heel veel meteorieten niet het geval. 

Gemiddeld stemde de vingerafdruk van deze meteorieten niet overeen met die van het water dat gevonden wordt in de mantel en de oceanen op aarde. De aarde heeft integendeel een verschillende, iets lichtere isotopische vingerafdruk, iets meer waterstof dus en iets minder van het zwaardere deuterium. 

Met andere woorden, hoewel een deeltje van het water op aarde afkomstig moet zijn van meteorieten uit de C-groep, moet de aarde bij haar ontstaan water gekregen hebben van minstens één andere bron met een lichtere isotopische vingerafdruk, die ergens anders in het zonnestelsel ontstaan is. Maar vanwaar?

Foto met een rasterelektronenmicroscoop van een van de fragmenten van de asteroïde Itokawa. Het fragment is ongeveer zo breed als een menselijk haar.
University of Glasgow/Curtin University

Een ander type asteroïde

Het team, dat onder leiding stond van de University of Glasgow, gebruikte een ultramodern analytisch proces dat atoomsonde-tomografie (atom probe tomography, APT) heet, om stalen te onderzoeken van een ander type van ruimterots, een asteroïde uit de S-klasse. Dergelijke asteroïden zitten in baan die dichter bij de zon ligt dan die van C-asteroïden.  

De stalen, enkele stofkorreltjes, waren afkomstig van de asteroïde Itokawa. Ze werden verzameld door de Japanse ruimtesonde Hayabusa en in 2010 naar de aarde gebracht. 

De atoomsonde-tomografie liet het team toe de atomaire structuur van de stofkorreltjes atoom na atoom op te meten en individuele watermoleculen op te sporen. Er bleek uit dat er een aanzienlijke hoeveelheid water geproduceerd was net onder het oppervlak van de stofkorreltjes van Itokawa door ruimteverwering.

Ruimteverwering is een proces waarbij geladen deeltjes afkomstig van de zon, de zogenoemde zonnewind, de chemische samenstelling veranderen van stoffen die eraan blootgesteld staan. 

Het jonge zonnestelsel was een erg stoffige plaats, wat veel gelegenheid bood om water te produceren onder het oppervlak van stofdeeltjes die in de ruimte zweefden. Dit waterrijke stof, zo suggereren de wetenschappers, zou op de jonge aarde neergeregend zijn samen met asteroïden uit de C-klasse en zo deel uitmaken van de bron van de aardse oceanen. 

Voorstelling van de Japanse ruimtesonde Hayabusa boven het oppervlak van de asteroïde Itokawa.
JGarry at English Wikipedia/Public domain

Waterstofionen in de zonnewind

"De zonnewinden zijn stromen van vooral waterstof- en heliumionen die constant uit de zon de ruimte in vloeien. Als die waterstofionen een luchtloos oppervlak als een asteroïde of een in de ruimte zwevend stofdeeltje raken, dringen ze enkele tientallen nanometer onder het oppervlak door, waar ze de chemische samenstelling van het gesteente kunnen beïnvloeden. In de loop van de tijd kan het 'ruimteverweringseffect' van de waterstofionen genoeg zuurstofatomen losmaken uit materialen in het gesteente om H2O te vormen, water, dat dan vastzit in mineralen in de rots", zei Luke Daly. 

Doctor Daly is een onderzoeker aan de School of Geographical and Earth Sciences van de University of Glasgow en de hoofdauteur van de nieuwe studie over het onderzoek. 

"Cruciaal daarbij is dat dit door de zonnewind ontstane water dat gevormd werd in het jonge zonnestelsel, isotopisch licht is. Dat wijst er sterk op dat fijnkorrelig stof, waarop de zonnewind ingebeukt heeft en dat naar de zich vormende aarde toegetrokken is miljarden jaren geleden, de bron zou kunnen zijn van het ontbrekende reservoir van het water op de planeet", zei Daly. 

"Atoomsonde-tomografie biedt ons een ongelooflijk gedetailleerd beeld in de eerste 50 nanometer of zo van stofkorrels op Itokawa, dat een baan rond de zon maakt in cyclussen van 18 maanden. De tomografie liet ons toe te zien dat dit fragment van de 'ruimteverweerde' rand genoeg water bevatte om, als we het opschalen, te komen tot zo'n 20 liter water voor elke kubieke meter gesteente", zei Phil Bland. Bland is professor aan de Australische Curtin University en een van de auteurs van de studie. 

"Dit soort van metingen zou eenvoudigweg niet mogelijk geweest zijn zonder deze opmerkelijke technologie", zei mede-auteur Michelle Thompson. "De technologie geeft ons een buitengewoon inzicht in hoe piepkleine stofdeeltjes die rondzweven in de ruimte, ons kunnen helpen de rekeningen sluitend te maken voor de isotopische samenstelling van het water op aarde en ons nieuwe aanwijzingen kunnen geven om te helpen het raadsel van de oorsprong van dat water op te lossen."

Thompson is professor aan het Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences van de Purdue University in de Amerikaanse staat Indiana.  

Een beeld van het watergehalte in een van de stalen van de asteroïde Itokawa, die in de studie gebruikt werden. De grijze laag geeft het oppervlak van het stofkorreltje weer, dat bedekt was met een beschermend laagje chroom. Het blauw geeft de verdeling van het water weer, waarbij de toename van de concentratie van water onder het oppervlak opvalt. Het beeld werd gemaakt met de atoom-sonde tomografie.
University of Glasgow/Curtin University

Extra moeite om resultaten te bekrachtigen

De onderzoekers hebben extra moeite gedaan om er zeker van te zijn dat de resultaten van hun onderzoek accuraat waren. Om hun resultaten te verifiëren, hebben ze bijkomende experimenten gedaan met andere stalen. 

"Het atoomsonde-tomografie-systeem van de Curtin University is van wereldklasse, maar het was nog nooit echt gebruikt voor het soort van analyse van waterstof dat we hier aan het doen waren", zei Daly. "We wilden er zeker van zijn dat de resultaten die we zagen accuraat waren."

"Ik stelde onze voorlopige resultaten voor op de Lunar and Planetary Science conferentie in 2018, en ik vroeg of er collega's aanwezig waren die ons zouden willen helpen onze bevindingen te bekrachtigen met stalen van henzelf. Tot onze grote vreugde boden collega's van het NASA Johnson Space Center, de University of Hawai‘i at Mānoa, de University of Virginia, de Northern Arizona University, de Purdue University, het Idha National Laboratory en de Sandia National Laboratories allemaal hun hulp aan. Ze gaven ons stalen van gelijkaardige mineralen die bestraald waren met helium en deuterium in plaats van met waterstof, en uit de resultaten van het atoomsonde-onderzoek van die materialen werd het al snel duidelijk dat wat we zagen bij Itokawa buitenaards van oorsprong was", zei Daly. 

"De collega's die ons hun steun aanboden bij dit onderzoek, vormen echt een dreamteam voor ruimteverwering, en dus zijn we erg opgewonden over de aanwijzingen die we verzameld hebben. Ze zouden de deur kunnen openen naar een veel beter begrip van hoe het vroege zonnestelsel er uitgezien moet hebben en hoe de aarde en de oceanen gevormd werden", aldus Daly nog.

"Nog maar slechts tien jaar geleden zou het idee dat bestraling door de zonnewind relevant is voor de oorsprong van water in het zonnestelsel, en al helemaal dat het relevant is voor de oceanen op aarde, zeer sceptisch onthaald zijn. Door voor het eerst aan te tonen dat water in situ geproduceerd wordt op het oppervlak van een asteroïde, bouwt onze studie voort op het toenemende bewijsmateriaal dat de interactie van de zonnewind met zuurstofrijke stofkorrels wel degelijk water voortbrengt", zei John Bradley. 

Bradley is professor aan de University of Hawai'i at Mānoa en een van de auteurs van de nieuwe studie. 

"Aangezien het onvermijdelijk was dat het stof dat in overvloed aanwezig was doorheen de zonne-nevel voor het begin van de planetaire accretie, bestraald werd, is water dat geproduceerd werd door dit mechanisme direct relevant voor de oorsprong van water in planetaire systemen en mogelijk ook voor de isotopische samenstelling van de oceanen op aarde", zei Bradley.   

Voorstelling van de op een aardnoot gelijkende asteroïde Itokawa.
JAXA, ESO/L. Calçada/M. Kornmesser/Nick Risinger (skysurvey.org)

Water voor toekomstige astronauten?

De schattingen van de onderzoekers van hoeveel water er zou kunnen zitten in oppervlakken die blootstaan aan ruimteverwering, wijzen ook op een manier waarop toekomstige ruimte-onderzoekers watervoorraden zouden kunnen produceren zelfs op planeten die enorm droog lijken. 

"Een van de problemen voor toekomstig ruimte-onderzoek door mensen is hoe astronauten genoeg water zullen vinden om hen in leven te houden en  in staat te stellen hun taken uit te voeren zonder water mee te nemen op hun reis", zei mede-auteur Hope Ishii, een professor aan het Hawai'i Institute of Geophysics and Planetology van de University of Hawai'i at Mānoa. 

"We denken dat het redelijk is aan te nemen dat hetzelfde verweringsproces dat het water op Itokawa heeft voortgebracht, ook in min of meerdere mate zal plaatsgevonden hebben op veel luchtloze werelden zoals de maan of de asteroïde Vesta. Dat zou kunnen betekenen dat ruimte-onderzoekers wel eens in staat zouden kunnen zijn om verse voorraden water recht uit het stof op het oppervlak van de planeet te halen. Het is opwindend te denken dat de processen die de planeten gevormd hebben, zouden kunnen helpen om menselijk leven in stand te houden als we de aarde achter ons laten", zo zei ze.  

"Het Artemis-project van de NASA heeft tot doel om een permanente basis op de maan te vestigen. Als het oppervlak van de maan een gelijkaardig waterreservoir heeft, gevormd door de zonnewind, als wat dit onderzoek heeft blootgelegd op Itokawa, zou dat een enorme en waardevolle hulpbron vormen om dat doel te helpen bereiken", voegde Daly eraan toe. 

Aan de studie hebben wetenschappers van de University of Glasgow, de Curtin University, de University of Sydney, de University of Oxford, de University of Hawai‘i at Mānoa, het Natural History Museum in Londen, het Idha National Laboratory, Lockheed Martin, de Sandia National Laboratories, het NASA Johnson Space Center, de University of Virginia, de Northern Arizona University en de Purdue University meegewerkt. 

De studie 'Solar wind contributions to Earth’s oceans' is gepubliceerd in Nature Astronomy. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van de University of Glasgow. 

Een voorstelling van het proces van 'ruimteverwering', waarbij de ionen in de zonnewind de chemische samenstelling van ruimtestof op de asteroïde Itokawa beïnvloeden.
University of Glasgow/Curtin University HIVE/Wesley Lamont
Een voorstelling van het proces van 'ruimteverwering', waarbij de ionen in de zonnewind de chemische samenstelling van in de ruimte zwevend stof beïnvloeden.
University of Glasgow
Ruimtestof en meteorieten van de C-groep regenen neer op de jonge aarde.
University of Glasgow

Meest gelezen