Odkiaľ sa vzali oceány Zeme?

Práve prebieha vesmírna misia, pri ktorej kozmická sonda putuje zo Zeme k Európe, Jupiterovmu mesiacu pokrytému ľadom. Podľa odborníkov sa pod jeho povrchom ukrýva globálny oceán, ktorý sa v mnohých ohľadoch podobá na tie naše. Misia dobre zapadá do smerovania výskumu vesmíru, v ktorom už desaťročia dominuje hľadanie vody. Pokiaľ totiž vieme, voda je pre život nevyhnutná. O to prekvapivejšie môže pôsobiť skutočnosť, že odborníci dodnes nevedia, ako sa voda dostala na našu vlastnú planétu.

Dlhé roky prevládala teória, že vodu na našu planétu priniesli kométy. Tieto telesá zo zamrznutej hmoty, ktoré obiehajú okolo Slnka a často majú pôsobivý chvost, vznikli na úsvite Slnečnej sústavy. Keď dopadali na mladú Zem, pravdepodobne naozaj prinášali aj vodu. V posledných rokoch však viacero kozmických sond skúmalo kométy zblízka a zistilo sa, že ich voda sa chemicky nezhoduje s tou našou.

Kométy potom trochu ustúpili do úzadia, uviedol Ashley King, odborník na meteority z Prírodovedného múzea v Londýne. Najpravdepodobnejším zdrojom vody sa následne stali asteroidy, ktoré sú kamenistejšie a bohatšie na kovy než kométy. Na Zem dopadajú oveľa častejšie než kométy a ich zásoby vody sa oveľa viac podobajú tým na našej planéte, hoci nie sú také obrovské ako v kométach.

Ani asteroidy však nie sú bez problémov a medzičasom sa čoraz viac presadzovala celkom nová predstava o pôvode vody. Vďaka dôkladnému pozorovaniu planét obiehajúcich okolo iných hviezd a laboratórnym experimentom vedci zistili, že kamenné planéty podobné Zemi majú svoj „recept“ na to, ako si vodu vytvoriť úplne samostatne.

Kométy a asteroidy

Zem vznikla približne pred 4,54 miliardy rokov. Hoci pekelné podmienky na jej počiatku vymazali väčšinu stôp po najstaršom období, v základných faktoch sa odborníci zhodujú: spočiatku bola naša planéta guľou tvorenou prevažne roztavenou horninou. Neskôr sa z nej stala modrá guľôčka. Ale ako?

Kométy sa spočiatku javili ako presvedčivá odpoveď. Tieto ľadové telesá pochádzajúce z oblastí za Neptúnom, z Kuiperovho pásu alebo ešte vzdialenejšieho Oortovho oblaku občas niečo vychýli z ich dráh a dostanú sa do vnútorných oblastí Slnečnej sústavy. Keď kométa preletí dostatočne blízko Slnka, jej ľad a zamrznuté plyny sa menia na paru a vytvárajú chvost, ktorý môže dosahovať dĺžku stoviek miliónov kilometrov.

Vedci predpokladali, že v minulosti mohli takéto kométy dopadať na Zem a zásobiť ju vodou. Nikto však nedokázal, že kométy obsahujú vodu podobnú tej pozemskej. Zmeniť sa to malo až v 80. rokoch, keď sa Európska vesmírna agentúra (ESA) rozhodla túto predstavu preveriť. Misia kozmickej sondy Giotto bola naozaj ambiciózna: išlo o prvé kozmické zariadenie, ktoré zblízka preskúmalo ľadové jadro kométy.

Giotto v roku 1986 dostihlo Halleyho kométu, ktorá približne každých 76 rokov pretína obežnú dráhu Zeme. Sonde sa podarilo na Zem odoslať pôsobivé zábery jadra kométy aj merania oblaku hmoty v jeho okolí. Vedcov najviac zaujal takzvaný pomer D/H, ktorý Giotto nameralo. Vodu na Zemi tvoria takmer výlučne molekuly zložené z dvoch atómov vodíka a jedného atómu kyslíka. Existujú však aj iné formy vody vrátane ťažkej vody, ktorú tvorí jeden atóm kyslíka a dva atómy ťažšieho vodíka, deutéria.

Ak za vznikom oceánov stáli kométy, dalo by sa očakávať, že pomer deutéria k vodíku vo vode na Halleyho kométe bude podobný ako vo vode na Zemi.

V 90. rokoch a v prvom desaťročí nového tisícročia pribudli ďalšie problémy kometárnej teórie. Spektroskopické pozorovania iných komét, napríklad Haleovej-Boppovej kométy, tiež odhalili dôkazy o prítomnosti ťažkej vody. Posledný úder prišiel v roku 2014, keď sonda Rosetta agentúry ESA vstúpila na obežnú dráhu okolo kométy 67P/Čuriumov-Gerasimenko a vyslala na jej povrch aj pristávací modul. Rosetta vykonala doteraz najpresnejšie merania zloženia kométy a zistila, že spomedzi všetkých skúmaných komét mala práve táto najvyššiu koncentráciu deutéria.

Potom sa objavila myšlienka, že ak voda na Zemi nepochádza z komét, mohli ju priniesť asteroidy. Tieto kamenné telesá obiehajú prevažne medzi Marsom a Jupiterom a neustále dopadajú na našu planétu v podobe meteoritov, hoci veľká časť ich hmoty zhorí v atmosfére alebo skončí v oceáne. Vedci zozbierali desaťtisíce meteoritov a zistili, že molekuly vody v jednej konkrétnej skupine sa veľmi podobajú tým na našej planéte. Pri meteorite, ktorý v roku 2021 dopadol do pokojného britského mestečka Winchcombe, dokonca potvrdili, že jeho pomer D/H sa takmer dokonale zhoduje s pomerom v pozemských oceánoch.

Meteority sa však môžu pri prelete atmosférou a dopade kontaminovať. Vedci preto vyslali sondy aj k asteroidom, aby z nich odobrali materiál na analýzu. V niektorých prípadoch zistili, že aj asteroidy putujúce vesmírom obsahujú vodu podobnú pozemskej. Štúdia publikovaná v roku 2023 odhalila, že voda z asteroidu Ryugu, ku ktorému v roku 2018 dorazila sonda japonskej vesmírnej agentúry, má podobný pomer D/H ako väčšina vody na Zemi. Pri vysvetľovaní pôvodu pozemskej vody dnes vedecká obec uprednostňuje skôr asteroidy než kométy.

Pomer D/H v asteroidoch však nepriniesol definitívnu odpoveď na otázku pôvodu vody na Zemi. Tieto vesmírne skaly obsahujú aj malé množstvá vzácnych plynov, ako sú argón, kryptón a xenón. Odborníci zistili, že ich zmesi sa spravidla nezhodujú s tým, čo nachádzame na našej planéte. Teórie založené na kométach a asteroidoch navyše spája rovnaký zásadný problém: oba typy telies mohli planétu zásobiť vodou na vznik oceánov len vďaka šťastnej zhode okolností. Po skončení fázy mimoriadne horúceho magmatického oceánu by muselo v krátkom čase na Zem dopadnúť obrovské množstvo asteroidov alebo komét, aby vytvorili svet pokrytý vodou, v ktorom dnes žijeme. Kedysi sa to považovalo za samozrejmosť, no existencia tohto neskorého bombardovania dnes vo vedeckej obci vyvoláva búrlivé diskusie.

Vodík a magma

Keď astronómovia skúmajú exoplanéty, teda planéty mimo našej Slnečnej sústavy, nachádzajú najrôznejšie atmosféry. Pri simuláciách vzniku planét však zisťujú, že mnohé z nich mohli spočiatku obsahovať veľké množstvo vodíka. Mohla na tom byť Zem v prvých rokoch svojho vzniku podobne?

Odborníci sa predtým domnievali, že na mladej Zemi bolo vodíka veľmi málo. K tomuto záveru dospeli po preskúmaní meteoritov, ktorých chemické zloženie sa nápadne podobá zloženiu Zeme. Pre túto podobnosť usudzovali, že oba materiály pravdepodobne vznikli rovnakým spôsobom. A keďže tieto meteority neobsahovali vodík, predpokladali, že to isté platí aj pre našu planétu.

Magmatický oceán Zeme obsahoval množstvo kyslíka. V štúdii publikovanej v roku 2023 sa traja odborníci zaoberali tým, čo by sa stalo, keby sa vodík z atmosféry planéty nejakým spôsobom zmiešal s kyslíkom v magme. Vodík sa s kyslíkom nespája samovoľne, takže nejde práve o ideálnych partnerov na chemickú reakciu. Vedci napriek tomu dospeli k záveru, že takýto proces by planéte umožnil vytvárať vlastnú vodu. Neboli si však istí jej množstvom.

O dva roky neskôr im k presnejšiemu odhadu pomohla ambiciózna séria experimentov. Uskutočnili ju fyzik Harrison Horn z Lawrence Livermore National Laboratory, geofyzik S.-H. Dan Shim z Arizonskej štátnej univerzity a ďalší výskumníci.

Vedci chceli okrem iného zistiť, ako môžu mať často sa vyskytujúce exoplanéty menšie než Neptún, s dvoj- až štvornásobným priemerom Zeme, atmosféru bohatú na vodu, ako naznačujú teleskopické pozorovania, aj keď obiehajú blízko svojej horúcej materskej hviezdy. Mohla by na to stačiť reakcia medzi vodíkovou atmosférou a oceánom magmy? Predpokladali, že áno, ale len vtedy, ak obrovské množstvo vodíka vytvára na magmu dostatočný tlak. „Tento vyšší tlak výrazne prispieva k tvorbe vody, v skutočnosti zintenzívňuje chemické reakcie,“ hovorí Horn.

Pomocou takzvaných diamantových nákov museli vystaviť mimoriadne horľavý vodík obrovskému tlaku a potom ho spojiť so vzorkami hornín roztavených laserom. Vývoj techník potrebných na bezpečné a účinné vykonávanie experimentov im trval päť rokov. „Zničili sme veľa diamantov. Bola to vzrušujúca cesta,“ hovorí Shim.

Vedci dúfali, že vodík zreaguje s kyslíkom a vytvorí vodu. Presne to sa aj stalo, a to v extrémnom rozsahu: reakcia vodíka pod vysokým tlakom s horninou roztavenou laserom bola taká účinná, že vzniklo viac než 1.000-násobne väčšie množstvo vody, než odborníci predpovedali. (Podobné výsledky priniesla aj druhá štúdia založená na laboratórnom výskume, ktorú zverejnili približne v rovnakom čase.) „Nezdá sa nereálne, že takto možno pomerne rýchlo vytvoriť obrovské množstvo vody,“ hovorí planetológ Paul Byrne z Washingtonovej univerzity.

Znamená to teda, že si Zem svoje oceány naozaj vytvorila sama? Tu sa situácia začína trochu komplikovať. Štúdia nevyslovuje o Zemi jednoznačné závery, no podľa Horna aj Shima je takýto scenár celkom možný.

Aj ďalší odborníci súhlasia s tým, že isté množstvo vody mohlo vzniknúť priamo na Zemi. Možno jej však zďaleka nebolo dosť na vytvorenie oceánov. „Povedal by som, že je celkom možné, že v ranom období vzniklo reakciou s vodíkom určité množstvo vody. Koľko jej bolo, však zostáva veľkou záhadou,“ hovorí Quentin Williams, experimentálny geofyzik z univerzity v Santa Cruz.

Základný problém spočíva v tom, že nikto nevie, či raná atmosféra Zeme obsahovala dostatok vodíka na vytvorenie tlaku potrebného na túto reakciu. Subneptúny majú oveľa väčšiu hmotnosť než Zem a ich silná gravitácia dokáže vodík lepšie udržať. „Zem je práve na hranici, pri ktorej sa takéto procesy môžu rozbehnúť,“ hovorí Horn.

Niektorí vedci neveria, že Zem mala dostatočnú hmotnosť na to, aby si vo veľkom vyrábala vlastnú vodu. „Trochu pochybujem, že by to bolo možné na planéte s hmotnosťou podobnou Zemi,“ hovorí Anders Johansen, astrofyzik z Kodanskej univerzity a Lundskej univerzity. Podľa Byrna však výskum subneptúnov naznačuje, že reakcia nemusí trvať dlho, aby vzniklo obrovské množstvo vody. Zem možno fungovala ako továreň na vodu iba chvíľu, no tá chvíľa mohla stačiť na vytvorenie oceánov.

Ak to tak bolo, dôsledky siahajú ďaleko za hranice našej Slnečnej sústavy. Možno nespočetné množstvo planét spĺňa podmienku, ktorá môže byť nevyhnutná na vznik života, pretože sa, ako povedal Byrne, „rodia bohaté na vodu“.

More možností

Je teda možné, že aspoň časť pozemskej vody vznikla procesmi prebiehajúcimi priamo na planéte. Tým sa však príbeh nekončí: medzičasom sa totiž do hry vrátili kométy. Kým sa Rosetta v roku 2014 stretla s kométou 67P/Čuriumov-Gerasimenko, ktorá má tvar kačičky na hranie, vedci už preskúmali vodu na ďalších 11 kométach. Všetky mali odlišný pomer D/H než Zem, až na jednu. V roku 2011 vesmírne observatórium Herschel agentúry ESA zistilo, že voda na kométe Hartley 2 má vlastnosti typické pre Zem.

Pozorovanie pôsobilo ako anomália. Potom však odborníci v štúdii publikovanej v roku 2024 znovu preskúmali analýzu kométy, ktorú navštívila Rosetta, a zistili, že vesmír mohol údaje „sfalšovať“. V čase odberu vzoriek Rosetta prelietala prachom obsahujúcim ťažkú vodu. Samotné ľadové teleso kométy obklopené týmto prachom sa pritom do značnej miery podobalo pozemskému ľadu. Následne článok publikovaný v roku 2025 opísal pozorovania kométy 12P/Pons-Brooks, pri ktorých takisto zaznamenali pomer D/H typický pre pozemské oceány.

Časť vedcov sa dnes už domnieva, že k výsledku mohli prispieť všetky tri procesy. Čo presne sa však stalo, sa možno nikdy nedozvieme. To neznamená, že sa odborníci vzdali hľadania odpovede na túto otázku, ktorá sa netýka len minulosti Zeme, ale patrí aj k najzákladnejším záhadám našej vlastnej existencie.