Nước trên trái đất đến từ đâu?

Nước là một phần quan trọng tạo nên sự sống. Nguồn: Bảo tàng lịch sử tự nhiên Mĩ.

Trong nghiên cứu gần đây trong Physical Review Letters, một giáo sư Viện Skoltech và đồng nghiệp Trung Quốc đã đề xuất một hợp chất hóa học - dẫu hiện tại không còn tồn tại – có thể bảo vệ nước ngầm ở một kỷ nguyên đầy biến động khi các cuộc va chạm lớn đã làm bay hơi nước trên lớp bao phủ trái đất 1.

Bên cạnh việc hình thành tất cả thành phần quan trọng cho nguồn gốc của sự sống như chúng ta đã biết, nước bề mặt quan trọng cho sự bền vững khí hậu của một hành tinh trong suốt những thời kỳ lớn, cho phép sự tiến hóa xảy ra. Ngay cả một lượng nhỏ nước ngầm bên dưới lớp bề mặt mà chúng ta đã biết là có thể làm gia tăng cả độ dẻo của đá, vốn là yếu tố thiết yếu cho kiến tạo mảng – một quá trình hình thành các lục địa và đại dương, và ảnh hưởng đến việc hình thành các trận động đất và núi lửa. Nhưng bất chấp tầm quan trọng của nó với sự tiến hóa của các hành tinh đá như trái đất của chúng ta, chúng ta không biết đâu là điểm bắt đầu của nước trên hành tinh này.

“Một số nhà khoa học cho rằng nước của chúng ta đã được các sao chổi mang đến nhưng nguồn này dường như lại vô cùng giới hạn – thành phần đồng vị của nước trên sao chổi lại hoàn toàn khác biệt với nước trên trái đất”, giáo sư Artem R. Oganov của Skoltech, đồng tác giả nghiên cứu, nhận xét.

Nếu nước không đến từ “trên trời”, nó phải đến từ phía dưới bên trong lớp bao phủ bề mặt hoặc thậm chí từ lõi trái đất. Nhưng bằng cách nào nó có thể sống sót sau quãng thời gian đầy xáo trộn 30 triệu năm hay lâu hơn thế trong lịch sử trái đất, khi hành tinh này vô cùng nóng và liên tục bị các tiểu hành tinh bắn phá và thậm chí là nằm dưới “làn đạn” của một vụ sáp nhập khủng khiếp với một hành tinh kích cỡ sao Hỏa? Các quá trình đó phải làm hóa hơi một phần trái đất và những gì còn lại bị nóng chảy, thấm xuống ít nhất hàng trăm ki lô mét, loại bỏ nước khỏi bề mặt. Cho đến bây giờ, các nhà khoa học cũng chưa rõ về một hợp chất bền vững có thể ‘khóa’ các nguyên tử hydrogen và oxygen bên trong hành tinh trong thời gian đủ dài và sau đó giải phóng nó dưới dạng nước.

Oganov tham gia với một nhóm các nhà khoa học do giáo sư Xiao Dong của trường đại học Nam Khai, Trung Quốc, dẫn dắt và cùng với họ tìm hiểu phương pháp dự đoán cấu trúc tinh thể USPEX của mình để khám phá ra một hợp chất phù hợp: magnesium hydrosilicate, với công thức Mg2SiO5H2, vốn chiếm hơn 11% khối lượng nước và bền vững dưới áp suất 2 triệu atmospheres và nhiệt độ siêu cao, như điều kiện áp suất trong lõi trái đất. Tuy nhiên, mọi người đều biết lõi trái đất là một trái bóng kim loại – hầu như toàn là sắt – vì vậy các nguyên tố tạo nên magnesium hydrosilicate đơn giản là không có ở đó chứ?

“Sai rồi. Chưa có lõi nào ở đó trong khoảng thời gian đó. Trong thời điểm bắt đầu của sự tồn tại, trái đất có ít hơn hay nhiều hơn thành phần phân bố và sắt trong suốt 30 triệu năm từ khi hành tinh hình thành cho đến khi thấm xuống phần trung tâm, đẩy silicates vào cái mà ngày nay chúng ta gọi là lớp bề mặt”, Oganov giải thích.

Điều đó có nghĩa là trong 30 triệu năm, phần chứa nước của trái đất vẫn bền vững và không liên quan đến hydrosilicates tại điểm sâu mà ngày nay là lõi trái đất. Trong suốt thời gian này, trái đất phải chống chịu với pha bắn phá của các tiểu hành tinh. Vào thời điểm lõi hình thành, hydrosilicates đã được đẩy vào khu vực có áp suất thấp hơn, nơi chúng trở nên thiếu bền vững và dễ bị phân hủy. Điều này đã tạo ra magnesium oxide và magnesium silicate để tạo ra lớp bao phủ như ngày nay và nước, bắt đầu một cuộc hành trình dài cả trăm triệu năm trên bề mặt.

“Trong thời gian đó, trái đất bị các tiểu hành tinh và ngay cả tiền hành tinh tấn công liên hồi, tuy nhiên nước vẫn được bảo vệ, bởi vì nó vẫn chưa hiện diện ở bề mặt”, Oganov cho biết thêm.

Các nhà nghiên cứu cho biết nghiên cứu của họ chứng tỏ đôi khi trực giác của con người có thể bị “đánh lừa” như thế nào. Không ai nghĩ về silicates ở áp suất lõi, bởi vì các nguyên tử thành phần vẫn được cho là không được tìm thấy có ở đó. Và ngay cả khi đó thì người ta cũng không trông đợi một hydrosilicates ổn định trong các điều kiện xảy ra ở lõi, bởi vì các mức nhiệt độ và áp suất cực đoan vẫn được cho là có thể ‘ép’ nước ra khỏi khoáng chất. Tuy vậy, mô hình chính xác dựa trên cơ học lượng tử đã chứng minh ngược lại.

“Đó là một câu chuyện về một vật liệu từng tồn tại trong một khoảnh khắc ngắn ngủi trong khung thời gian của hành tinh nhưng lại có một tác động lớn lên sự tiến hóa của trái đất”, ông tiếp tục giải thích. “Điều này không chỉ hướng đến tư duy địa chất thông thường mà còn hướng đến suy nghĩ của một nhà sinh học tiến hóa, bởi rất nhiều điều chúng ta thấy ngày nay đã được tiến hóa từ các loài đã từng tồn tại, có thể khó gây ngạc nhiên phải không?”.

Giả thuyết mới về nguồn gốc của nước cũng có những gợi ý cho những thực thể trong vũ trụ khác. “Ví dụ, sao Hỏa quá nhỏ để tạo được ra áp suất cần thiết cho magnesium hydrosilicate bền vững”, Oganov nói. “Điều này giải thích tại sao nó quá khô và nó có nghĩa là bât kể có nước tồn tại trên sao Hảo, dường như nó đến từ các sao chổi”.

Hoặc ngay cả các hành tinh ngoài hệ mặt trời của chúng ta. “Để có thể sống được thì một ngoại hành tinh cần phải có khí hậu bền vững, vốn có nghĩa là cần cả các lục địa và đại dương. Vì vậy, nó phải có nước, dẫu không cần quá nhiều”, Xiao Dong cho biết thêm. “Có ước tính là với một hành tinh với các điều kiện như trái đất, ở bất cứ quy mô nào, để sinh sống được, phải có khoảng 0,2% khối lượng là nước. Kết quả nghiên cứu của chúng tôi chỉ dấu là với những hành tinh lớn hơn, hay còn gọi là “siêu trái đất”, câu chuyện dường như khác biệt : trên nhiều hành tinh, áp suất đủ làm bền vững magnesium hydrosilicate phải tồn tại ngoài lõi, bảo vệ một lượng nước lớn trong khoảng thời gian vô hạn. Và kết quả, một siêu trái đất có thể có một lượng nước lớn hơn và vẫn còn hỗ trợ sự tồn tại của các lục địa đã lộ diện”.

Nó cũng có những chỉ dấu cho từ quyển của một hành tinh. “Tại các mức nhiệt độ cao hơn 2.000 độ C, magnesium hydrosilicate sẽ dẫn điện, với các hydrogen proton bảo vệ. Điều này nghĩa là hydrosilicate của chúng ta sẽ đóng góp vào từ trường của các siêu trái đất”, Oganov giải thích và cho biết thêm danh sách của những kết quả rút ra từ giả thuyết mới vẫn sẽ còn tiếp tục.

Thanh Phương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2022-01-probes-planet-turbulent-oceans.html

https://www.eurekalert.org/news-releases/941167

--------------------------

1. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.035703