Kde se vzala na Zemi voda: Rozhovor s fyzikálním chemikem Svatoplukem Civišem
Voda představuje magické slovo. Protože kde je voda, tam může být i život. Jak je to s životodárnou látkou ve vesmíru a jak se dostala do Sluneční soustavy, na planetu Zemi? Nejen o tom jsme si povídali s fyzikálním chemikem Svatoplukem Civišem.
Vznik vody a života ve vesmíru vás jako fyzikálního chemika fascinuje již dlouho. Nedávno vám na dané téma vyšel článek v prestižním časopise Astrophysical Journal. Našli jste možný původ vody na Zemi?
Dlouhá léta se zabývám studiem polovodičových materiálů. Celá řada z nich se vyskytuje v podobě minerálů na Zemi i na planetách, včetně meteoritů, a často v hojné míře. Fascinují mě vlastnosti daných materiálů a jejich přesah, funkce v přírodě kolem nás i mimo naši planetu. Ve zmíněné studii o vzniku vody ve vesmíru a jejím původu na Zemi jde v pořadí již o třetí jev, který mě nadchl a inspiroval k aplikacím spojeným s vesmírnou chemií.
Nejprve se jednalo o výměnu kyslíku mezi pevnými oxidy kovů a oxidem uhličitým, poté o metanogenezi, kdy dochází v kyselém prostředí k redukci oxidu uhličitého na metan. A nyní je to interakce hvězdného větru s kyslíkovými atomy vázanými v minerálech za následného vzniku vody. Chtěl jsem se proto laboratorními experimenty dostat k objasnění původu vody na naší planetě.
Z kosmických dálav
Zjistit původ vody na Zemi je pro vědce velice důležité. S jakými teoriemi se dnes pracuje?
O původu vody na Zemi existuje řada teorií. Podle jedné z nich se na naší planetě vyskytuje od počátku, tedy od formování Sluneční soustavy z protoplanetárního disku. Odpůrci zmíněné teorie však argumentují, že zhruba před čtyřmi miliardami let došlo k oddělení tělesa Měsíce od Země po impaktu asteroidu o velikosti Marsu. A představa, že voda na naší planetě setrvala i přes obrovské teploty při popsané srážce, je málo pravděpodobná. Jiné vysvětlení tedy pracuje s transportem vody vázané na povrchu různých těles, včetně asteroidů a komet, v době formování naší soustavy.
Dá se dokázat, že k tomu skutečně došlo?
Náš výzkum a pátrání stavějí na principu izotopického zastoupení vodíku – ať už těžkého, či lehkého – v různých vesmírných materiálech. Podle něj lze potom usoudit, odkud takový materiál pochází, čímž bychom mohli původ vody na Zemi vystopovat.
Mohl byste nám daný postup přiblížit?
Dokážeme zkoumat vesmírná tělesa na základě izotopického poměru těžké vody, respektive deuteria (D), a vodíku (H). Platí obecná rovnice izotopické rovnováhy mezi HD molekulou a vodou, z níž vyplývá, že čím nižší teplota v prostoru, odkud objekt přichází, tím větší zastoupení deuteria. Přichází-li objekt naopak z teplejších oblastí vesmíru, třeba z blízkosti Slunce, má voda mnohem větší zastoupení vodíku oproti deuteriu. Na základě zmíněných faktů se dá usuzovat na původ materiálu.
Nejstarší ve vesmíru
Než se však voda dostala na Zemi, musela nějakým způsobem ve vesmíru vzniknout. Známe daný mechanismus?
Voda může vznikat řadou způsobů. Ve vesmírných molekulárních plynových mračnech převažují iontové procesy, ve hvězdách za vysokých teplot převládá rozklad na atomy a jejich následné slučování mezi sebou. Další způsob zahrnuje procesy spojené s reakcemi na povrchu prachových částic.
Víme také, kdy se voda ve vesmíru poprvé objevila?
Několik sekund po Velkém třesku se jako první v gluon-kvarkovém plazmatu objevily atomy vodíku. Ale jak všichni víme, ke vzniku vody potřebuje vodík jako partnera kyslík, který je však produktem termonukleárních reakcí ve hvězdách. Jenže první hvězdy vznikly až čtyři sta milionů let po Velkém třesku. Poté musely projít početnými procesy vzniku a zániku, při nichž se teprve utvořily těžší prvky, včetně kyslíku. A teprve pak se mohla objevit voda.
Jaké jsou nejstarší důkazy o její existenci v kosmu?
Asi nejstarší důkazy získala observatoř ALMA, měřící v mikrovlnné a milimetrové spektrální oblasti. Jedná se o astronomická data z galaxie SPT0346-52, která prošla mimořádným obdobím intenzivní tvorby hvězd. Dělí ji od nás 12,7 miliardy světelných let, takže ji pozorujeme přibližně miliardu roků po Velkém třesku. Jde tedy o jednu z nejstarších identifikací vody ve vesmíru.
Na vnitřních planetách
V různém skupenství se voda vyskytuje i na jiných planetách Sluneční soustavy, přesto se život vyvinul pouze na Zemi…
Ve Sluneční soustavě se v obyvatelné zóně, kde se může vyskytovat kapalná voda umožňující existenci života, nacházely původně tři planety – Venuše, Mars a Země. První z nich má velmi hustou atmosféru, sestávající převážně z oxidu uhličitého coby skleníkového plynu. Na tamním povrchu panuje devadesátkrát větší tlak než na Zemi a teplota se pohybuje okolo 460 stupňů. Otázka, zda voda na Venuši za popsaných podmínek existuje a v jakém skupenství, zůstává otevřená a diskutabilní. Na povrchu Marsu pak vidíme dokonce stopy po říčních korytech, takže tam voda kdysi zřejmě tekla, a to v poměrně velkém množství. Současné místní podmínky neumožňují její dlouhodobou existenci v kapalné podobě, ale nachází se například v pověstných bílých čepičkách na marsovských pólech, tvořených vodním a suchým ledem neboli oxidem uhličitým.
Země si na rozdíl od Marsu a naštěstí pro nás životodárnou tekutinu udržela. Dá se specifikovat, odkud která zdejší voda pochází?
Jak už bylo řečeno, jednou z možností je sledovat izotopické zastoupení ve vodě přicházející z odlišných oblastí vesmíru, tedy v meteoritech či různých minerálech. Můžeme v nich měřit poměr deuteria a vodíku. Pokud takto prozkoumáme jakoukoliv vodu na Zemi, dojdeme vždy ke stejnému výsledku, a sice že na každých deset tisíc molekul vody připadá jedna molekula vody těžké. Říká se tomu oceánský standard.
Studií týkajících se poměru deuteria a vodíku existuje celá řada. My jsme ho porovnávali v různých tělesech a výsledný graf ukazuje, že například složení vody většiny komet se od pozemského oceánského standardu značně liší – zatímco voda vázaná na asteroidy a meteority se mu naopak jednoznačně přibližuje.
Všechna voda z asteroidů
Dalo by se tedy zjednodušeně říct, že vodu na Zemi přinesly asteroidy?
Víme, že asi před 3,8 miliardy let nastalo takzvané velké pozdní bombardování, kdy naše planeta čelila velice četným dopadům těles z vesmíru. Právě této těžké fázi její existence možná vděčíme za vznik života, a s největší pravděpodobností i za vodu v oceánech. Předpokládá se, že v uvedeném období zasáhlo rané terestrické planety ve vnitřní Sluneční soustavě poměrně velké množství asteroidů a pozůstatkem popsaných událostí se stal také Měsíc. Jeho povrch téměř kompletně pokrývají dopadové krátery a lze přitom usuzovat, že stejný či ještě větší počet těles zasáhl i rozměrnější Zemi. A protože jsou všechny lunární krátery relativně dobře zmapované, dá se spočítat velikost objektů, které je vytvořily.
Existuje tedy odhad, kolik materiálu se při velkém pozdním bombardování na Měsíc dostalo. Po extrapolaci na velikost Země pak vychází, že v jejím případě se jednalo zhruba o 1,1 × 10²⁰ kilogramů.
Můžeme podle této odhadované hmotnosti materiálu určit i množství vody, která se s ním na Zemi dostala?
Na základě našich předchozích laboratorních experimentů lze jednoduchým způsobem spočítat, kolik kilogramů impaktů musí na Zemi dopadnout, aby se naplnily všechny oceány. Samozřejmě musíme znát procento vody navázané na povrch takových těles. Z našich měření vycházelo, že v průměru bychom v rámci jednotlivých minerálů potřebovali přibližně 9,2 × 10¹⁹ kilogramů. Naše experimentálně získaná data se tudíž řádově shodují s výše uvedeným odvozeným množstvím impaktního materiálu z doby velkého pozdního bombardování.
Lze tedy potvrdit, že množství vody, které se na Zemi vyskytuje, přinesly asteroidy?
Ano, náš výsledek se shoduje s množstvím vody na Zemi. Na základě provedených experimentů tak můžeme říct, že se veškerá voda dostala na naši planetu až po jejím vzniku, a to prostřednictvím asteroidů v období velkého pozdního bombardování.
Prof. RNDr. Svatopluk Civiš, DSc. (*1955)
Absolvoval Přírodovědeckou fakultu Univerzity Karlovy, obor chemie. Od roku 1990 působí na Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského Akademie věd, kde vedl Oddělení spektroskopie. V roce 1988 obdržel prestižní stipendium Alexander von Humboldt Fellowship a na Univerzitě Justuse Liebiga v německém Giessenu se věnoval studiu a experimentální detekci infračervených spekter molekulárních iontů.
Po návratu začal na Ústavu fyzikální chemie rozvíjet laboratorní techniky spektroskopie vysokého rozlišení. V roce 1992 obdržel pozvání od nositele Nobelovy ceny Gerharda Herzberga a dva roky pracoval v Herzbergově výzkumném institutu pro astronomii a astrofyziku v kanadské Ottawě.
Jeho současná vědecká činnost se zaměřuje především na aplikace využívající experimentální techniky spektroskopie s Fourierovou transformací ve spojení s lasery. Je autorem více než 200 publikací a řešitelem či spoluřešitelem více než 20 mezinárodních i českých grantů. Od roku 2015 zastupuje naši republiku v Mezinárodní astronomické unii.
