Selv om 70 procent af Jordens overflade er dækket af hav, er vand faktisk et yderst sjældent stof på Jorden, da det kun udgør 0,05 procent af klodens samlede masse. Ikke desto mindre har vandet spillet en afgørende rolle for livets opståen og udvikling - uden vand ville Jorden efter alt at dømme være en død planet.
Vandets tilstedeværelse er et stort geologisk mysterium, og spørgsmålene er, hvor oceancerne er kommet fra og om de altid har haft det samme omfang, som de har i dag.
Disse spørgsmål er en dansk forskergruppe ved Statens Naturhistoriske Museum forsøgt at nærme sig et svar på ved at måle, hvordan oceanernes forekomster af brint- og ilt-varianter, såkaldte isotoper, har ændret sig gennem tiderne.
Resultaterne er netop er publiceret i det anerkendte videnskabelige tidsskrift PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences).
\ Fakta
Metanogogenese er en kemisk proces, der ser således ud: H2O (Vand) + CO2 (kuldioxid) --> CH4 (metan) + 2 * O2 (to frie iltmolekyler) ---> CO2 + O2 + 4H (brint). Det var den brint, der blev frigivet ved metanogenese, der søgte ud i rummet. Processen kan bruge deuterium i stedet for brint, men gør det betydeligt mere sjældent.
»Det vand, der dækkede kloden i tidernes morgen, rummede mere almindeligt brint i forhold til tung brint, kaldet deuterium, end i dag. På den baggrund kan vi konkludere, at oceanerne siden Jordens ungdom for knap fire milliarder år siden har tabt omkring 25 procent af sin oprindelige vandmængde, hvilket er signifikant,« fortæller postdoc Emily Pope, der har spillet en central rolle i studiet.
Forskerne opsøgte Jordens ældste klipper
Emily Pope og hendes kolleger har måttet tænke ud af boksen for at få resultaterne i hus, da de havde meget lidt klippemateriale at arbejde med fra den periode i Jordens historie.
Forskergruppen besluttede sig for at løse gåden fra en helt anden vinkel, end man hidtil har gjort, ved at undersøge et særligt mineral kaldet serpentin.
Serpentin dannes, når varmt klippemateriale fra Jordens kappe kommer i kontakt med havvand, der cirkulerer gennem glohede kanaler og sprækker i undergrunden under havbunden. Serpentins kemiske og isotopiske sammensætning bliver altså bestemt af havvandets komposition og sladrer derfor om, hvordan fortidens hav så ud.
Serpentin findes mange steder på kloden, men forskerne valgte at gå på opdagelse i det grønlandske område Isua, der er hjemsted for nogle af verdens ældste klipper.
Klipperne i dette område udmærker sig ved ikke at være blevet kraftigt deformeret, siden de blev skabt for 3,8 milliarder år siden. Den dag i dag er der derfor stadig dele af Isua, hvor man kan finde spor efter geologiske og geokemiske processer fra dengang, klipperne blev til.
Emily Pope og hendes kollegaer Minik Rosing og Dennis K. Bird drog til Isua under deres feltarbejde i sommeren 2010, hvor de fandt frem til et særligt sted, der tidligere er blevet identificeret som gammel serpentinrig havbund.
Brint fra havet slap ud i rummet
Emily Pope tog en masse prøver fra klippemateriale mange forskellige steder i området og analyserede dem i et laboratorium ved Stanford University i Californien, USA. (Se boks). Prøverne viste sig at rumme betydeligt mere brint og mindre deuterium end i dag, hvilket Emily Pope mener at have en god forklaring på:
\ Fakta
En anden måde at kortlægge, hvordan havenes kemiske sammensætning har ændret sig igennem tiderne, er ved at studere flintesten kaldet chert. Dette mineral har dog en større tendens til at reagere med grundvand end serpentin og kan dermed have ændret sig, siden det blev skabt.
Dengang Jorden var ung blev en del af vandmolekylerne splittet i brint, deuterium og ilt ved en proces kaldet metanogenese. Brint og deuterium var så lette gasser, at de steg op gennem atmosfæren og slap ud i rummet.
Da metanogenese kører mest effektivt for brint, blev der frigivet større mængder brint end deuterium, og det ændrede langsomt men sikkert forholdet mellem forekomsterne af de to stoffer i oceanerne.
Nu, hvor hun vidste hvor meget brint, der er forsvundet fra oceanerne gennem de sidste godt fire milliarder år, har hun kunnet beregne, hvor meget vand, oceanerne har mistet. Det viser sig, at Jorden siden sine unge dage har tabt en fjerdedel af sit vand.
»Brint og deuterium undslipper stadig atmosfæren, men kun meget langsomt – i dag er atmosfæren nemlig rig på ilt, der binder brint og deuterium til sig igen, hvorved der dannes vand, der falder ned på jordoverfladen. Langt størstedelen af Jordens vand holdes dermed i et lukket system, der forhindrer Jorden i fortsat at tørre ud,« siger Emily Pope.
varmt klima skyldes ikke store mængder metan
Analyserne sladrede også om, hvor store mængder metan, luften indeholdt dengang. Tilstedeværelsen af metan fremmede nemlig tabet af brint til rummet, og da forskerne ved, hvor meget brint Jorden tabte til rummet, kan de også estimere, hvor meget metan atmosfæren i sin tid må have indeholdt.
Emily Pope og hendes kolleger vurderer, at den moderne atmosfære rummer mellem 50 og 500 gange mindre metan, end den mængde, der var til stede under dannelsen af Isua-klipperne.
Det resultat er vigtigt i en debat om, hvorfor Jordens klima i sin tid var nogenlunde lige så varmt, som i dag, på trods af, at Solen dengang var betydeligt svagere - en tilsyneladende modstrid, som forskere omtaler som Den unge Sols paradoks.
En oplagt løsning på paradokset er, at atmosfæren på daværende tidspunkt rummede store mængder drivhusgasser, men den hypotese afkræfter Emily Pope og hendes kollegers studie.
»Paradokset er meget debatteret inden for geologien, hvilket understreger vigtigheden af at forøge at estimere hvor meget, der rent faktisk var, på baggrund af analyser af klippematerialet, og det er netop det, vi har forsøgt at gøre. Vi finder, at atmosfæren rummede mere metan dengang end nu, men dog kun en brøkdel af den mængde metan, der er nødvendig for at kunne opnå et varmt klima ved alene at bruge atmosfærisk metan som drivhusgas« siger Emily Pope.
Nutidens klimaændringer er dramatiske
Årsagen til, at klimaet dengang var varmt må altså være en anden end, at atmosfæren rummede drivhusgasser, og Emily Pope har et godt øje til en teori, som blev fremsat af Minik Rosing, Dennis Bird, Norm Sleep og Christian Bjerrum i 2010.
Resultaterne bekræfter min tese om, at Jorden altid har været en røvkedelig planet.
Minik Rosing
Deres forklaring på, at datidens klima var varmt på trods af en koldere sol kan være, at Jordens overflade dengang var dækket af hav, mens kloden i dag delvist er præget af kontinenter. Havvand er mørkere end kontinenterne, fordi det opsuger mere sollys, og den energi, som havet i sin tid slugte, har været tilpas stor til at kunne holde klimaet nogenlunde stabilt.
»Denne teori synes jeg lyder plausibel. Den kan være med til at forklare, hvorfor Jordens klima ser ud til at have ændret sig inden for nogle ret begrænsede rammer,« siger Emily Pope.
Minik Rosing, som også har deltaget i studiet, understreger, at de nye resultater ikke kun fortæller noget om fortidens klima, men at de også sætter de nuværende klimaændringer i relief.
»Jordens klima har hidtil været et stabilt system. De nuværende klimaændringer er dramatiske sammenlignet med de små variationer, der har fundet sted gennem tiderne, og det bærer vi mennesker en stor del af ansvaret for. Når vi på den måde øger mængden af drivhusgasser, vil det skabe en ubalance, som måske aldrig kan rettes op igen – en balance, som har været årsagen til, at livet har kunnet opstå og udfolde sig,« slutter Minik Rosing.
\ Vandet kom formentlig fra meteoritter
Den nye viden om isotopsammensætningen af Jordens tidlige vand kan hjælpe forskerne med at besvare et andet spørgsmål, nemlig hvor klodens oceaner oprindeligt er kommet fra.
Vandet må være kommet til Jorden i perioden mellem Jordens dannelse for ca. 4,6 milliarder år siden og Isua-bjergarternes dannelse 800 millioner år senere. Forskerne har forskellige teorier om, hvordan det mere specifikt er sket, og her er især to teorier i spil.
-
Vandet kom hertil med meteoritter i slutfasen af Jordens skabelse for 4,6 milliarder år siden, enten ved at være indesluttet i meteoritter eller ved at sidde på de partikler, der samledes på vores plads i verdensrummet.
- Vandet kom hertil med kometer for mellem 3,8 og 3,9 milliarder år siden under Det Store Bombardement, hvor millioner af kometer regnede ned over Jordens overflade. Mellem 80 og procent af en komet består af vandis, som ifølge teorien har fyldt verdenshavene.
De meteoritter, der tæppebombede overfladen, har øget Jordens masse med én procent – det kan man regne sig frem til ud fra antallet af kratere på Månens bagside, som er opstået under det samme bombardement. Da man ved, at meteoritter består af omtrent 10 procent vandis, kan man regne ud, hvor meget vand disse nedslag har tilført Jorden.
»Det svarer meget nøjagtigt til den mængde vand, som vi nu har regnet os frem til var i verdenshavene på den nyfødte jord. Vores beregninger hylder dermed teorien om, at vandet kom fra meteoritterne,« slutter Minik Rosing.
\ Brint og ilt trukket ud af knust serpentin
Emily Pope har måttet pulverisere de indsamlede serpentinprøver fuldstændigt for at ødelægge de stærke kemiske bånd, der holder brinten og ilten fast. Herefter fravristede hun prøverne deres indhold af brint og ilt ved at gennemføre to forskellige procedurer.
Brint: Forskerne lagde den pulveriserede terpentin ind i en stor ovn, der opvarmede mineralet til meget høje temperaturer. Det frigjorde alt hydrogenet i prøven i form af H2-gas. Herefter brugte forskerne et massespektrometer, der udnytter forskellen i massen af deuterium og hydrogen til at måle, hvor meget de hver især udgjorde af prøven.
Ilt: Forskerne brugte en laser til at forbrænde serpentinprøven og derefter isolere den O2-gas, der kommer ud af mineralet. Herefter analyserede de ilten på samme måde, som de gjorde med brint.
