Maapallon vesi

Maa on sininen planeetta, jossa on runsaasti vettä. Kuva
The Suomi NPP Blue Marble, Credit:NASA/NOAA.

K: Kuinka maapallo sai vetensä?

V: Toistaiseksi kysymykseen ei ole ehdottomasti oikeaa vastausta. Eri tutkijat ja tutkimusryhmät painottavat hieman eri asioita ja veden alkuperälle on useita teorioita. Ilmeisesti yhtä ainoaa alkuperäistä vesilähdettä ei edes ole olemassa, vaan maapallolle on joutunut vettä useasta eri lähteestä.

Maapallo syntyi noin 4,65 miljardia vuotta sitten Auringon synnynjälkeen sitä kiertäneestä protoplanetaarisesta kiekosta. Kiekon koostumus oli sama kuin Auringon, siis raskaista metalleista aina kevyisiin kaasuihin asti. Protoplanetaarisen kiekon hiukkaskoko alun perin oli hyvin pieniä ja sen lämpötilajakauma riippui tarkasteltavan alueen etäisyydestä Auringosta.

 Aurinkoa lähimpänä olevilta alueilta haihtuivat kaikki kevyet alkuaineet ja vain raskaimmat (metallit ja piioksidit) pystyivät tiivistymään suuremmiksi kappaleiksi, planetesimaaleiksi. Kevyemmät alkuaineet kuten kaasut ja vesi säilyivät haihtumatta vasta useiden astronomisten yksiköiden etäisyydellä Auringosta. Tosin Auringon säteilyvoimakkuus oli nykyistä heikompi, joten vesi saattoi säilyä haihtumattomana suhteellisen lähellä protomaata.

Planetesimaalit kerääntyivät keskinäisten gravitaatiohäiriöiden vaikutuksesta suuremmiksi kappaleiksi. Viimein niistä tuli sen verran massiivisia, että ne alkoivat vaikuttaa gravitaatiollaan ympäristöihinsä. Näistä suuremmista kappaleista tuli planeettojen esiasteita, protoplaneettoja.

Protomaapalloon törmäsi suuri määrä planetesimaaleja, joista osa oli peräisin kauempaa aurinkokuntamme ulko-osasta. Näin jo protomaahan tuli jonkin verran vettä. Veden määrää on vaikea arvioida, mutta ilmeisesti se kuitenkin oli merkittävä.

Maapallon massa kasvoi ensimmäisen sadan miljoonan vuoden aikana siten, että se alkoi olla noin 80 %  nykyisestä massasta. Maapallon materiaalissa ollut radioaktiivinen alumiini (ja muut radioaktiiviset alkuaineet) kuumensivat maapalloa jopa niin paljon, että planeetan ydin suli jo hyvin varhaisessa vaiheessa. Tapahtui tiheiden ja vähemmän tiheiden alkuaineiden differentoituminen (erottuminen). Protomaa sai raskaan metalliytimen.

Kuun syntymisen jälkeen maapllo oli kauttaaltaan
sula. Kesti satakunta miljoona vuotta ennen kuin ensimmäiset

meret lainehtivat maapllolla. Kuva Public Domain Freigabe
durch NPS/ Oder Zeichner.

Pintaan törmäävät planetesimaalit puolestaan kuumensivat pintamateriaalin, joka ilmeisesti suli. Pintamateriaalin sisältämät kaasut vapautuivat ja muodostivat suhteellisen tiheän ilmakehän. Tiheä ilmakehä toimi eristeenä, joka hidasti maapallon jäähtymistä. Maapallon pinta oli kuitenkin noin sadan miljoonan vuoden ikäisessä maapallossa jo syntynyt kauttaaltaan ja kuorikerros oli kymmeniä kilometrejä paksu.

Noin sadan miljoonan vuoden ikäiseen maapalloon törmäsi Theia, noin nykyisen Marsin massainen kappale. Törmäys oli uusimpien mallien mukaan täysin kohtisuora ja sen seurauksena maapallo menetti ensimmäisen ilmakehänsä ja ison osan silloisesta kuorikerroksesta. Kuorikerroksen aineksesta syntyi Kuu hyvinkin nopeasti.

Törmäyksen seurauksena menetetyn kuorikerroksen alta paljastui vielä sulassa tilassa ollut mantteli, Theian ja Maan rautapitoiset ytimet yhdistyivät ja vuorovesivoimat kuumensivat ja pitivät sulana kumpaakin kappaletta. Kuu paljon pienempänä kappaleena kuitenkin jäähtyi nopeammin, mutta jo tässä vaiheessa kiertoaikaan lukkiutunut pyöriminen käänsi aina saman puolen kohti Maata. Vuorovedestä johtuen suurempi Maa jäähtyi hitaammin ja piti myös Kuun Maan puoleista osaa sulana pidempään kuin Maasta poispäin kääntynyttä puolta.

Theian mukana oli ilmeisesti tullut merkittävä määrä vettä ja muita kaasuja ja lisäksi maapallon alkuperäiseen ainekseen liuenneet kaasut ainakin osittain vapautuivat ja muodostivat järjestyksessä toisen ilmakehän. Tässä ilmakehässä oli mukana vesihöyryä, joka hiljalleen tiivistyi vedeksi maapallon jäähtyvälle pinnalle. Näin ollen maapallo on saanut ensimmäiset merensä jopa 4,4 miljardia vuotta sitten.

Seuraavien satojen miljoonien vuosien aikana maapalloon törmäsi jonkin verran lisää planetesimaaleja, joiden mukana tuli myös vettä. Noin 4,2 miljardia vuotta sitten käynnistyi ”suurena asteroidipommituksena” tunnettu ajanjakso, jonka aikana aurinkokuntamme sisäosia pommitti nykyistä runsaampi asteroideista ja komeetoista koostuvien törmäysten sarja. Tältä aikakaudelta on säilynyt tunnistettavia kraattereita mm. Kuussa Mare Nectaris (4,1 – 3,9 miljardia vuotta sitten) ja ainakin 12 muuta iskemäallasta. Maapallon aktiivinen laattatektoniikka on hävittänyt kaikki jäljet.  Tällä kaudella maapallo on saanut täydennystä vesivarastoonsa.

Noin 3,85 miljardia vuotta sitten, aurinkokunnan sisäosien asteroidipommitus heikkeni nykyiselleen. Asteroidien mukanaan tuoman veden ja maapallon vulkaanisen toiminnan seurauksena ilmakehään joutui suuri määrä vesihöyryä, joka tiivistyi lopulta meriksi.

Yhteenvetona voidaan sanoa, että maapallon vedellä ei ole vain yhtä alkuperää. Ensimmäisenä maapallolle tuli vettä planetesimaalien mukana. Sen jälkeen Theia toi mukanaan oman annoksensa ja suuren asteroidipommituksen aikana vettä tuli Maahan törmänneiden kappaleiden mukana. Nämä kappaleet olivat peräisin Oortin pilvestä (vesijäästä koostuvia komeettaytimiä) sekä Neptunuksen radan ulkopuolelta (TNO)ja pääasteroidivyöhykkeeltä (asteroidit) peräisin olevia jonkin verran vettä sisältäneitä kappaleita. Nykypäivänä maapallo edelleen vastaanottaa pieniä määri vettä törmänneiden asteroidien ja pienten komeettaytimien tuomana.

Isotooppijakauman tutkiminen on paljastanut, että erityisesti hiilipitoiset ja runsaasti vettä sisältävät asteroidit voivat olla tuoneet mukanaan hyvin suuren osan maapallon vedestä. Komeetoilla ja TNOlla, vaikkakin ne sisältävät vettä hyvin runsaasti, on ollut pienempi merkitys vesikertymässä.

Eräät tutkijat ovat esittäneet, että maapallon alkuperäisen materiaalin mukana tullut vesi on voinut kokea jonkinlaisen isotooppimuutoksen. Deuteriumin ja vedyn suhde (D/H) kasvoi, sillä tavallinen vety katoaa avaruuteen nopeammin kuin hieman raskaampi deuterium. Prosessia on kiihdyttänyt maapallon korkea pintalämpötila ja aktiivinen vulkaaninen toiminta.

Kysymyksiä Kuusta

Vuorovesivoima kohdistuu
eri suurina Maa–Kuu-akselin
jakamaan puoliskoihin. Kuuta
lähempänä oleva vuoksiaaltoon
Maassa ja vastaavasti Maata
lähimpänä olevaan vuoksiaaltoon
Kuussa kohdistuu suurempi
gravitaatiovoima (F₁) kuin
niiden vastakkaisiin puoliskoihin (F₂).
Tästä aiheutuu pyörimistä
hidastavat vääntömomentit (M_v)
sekä Kuun radan tangentin
suuntainen nettovoima (F₃),
joka pyrkii kiihdyttämään Kuun
ratanopeutta. Liikeratojen
dynamiikasta johtuen voimasta (F₃)
 on seurauksena Kuun ratasäteen
kasvaminen, eli Kuu etääntyy
maapallosta. Piirros © Kari A. Kuure.

K: Miksi Kuu ei pyöri?

V: Kuu pyörii itsensä ympäri aivan samalla tavalla kuin kaikki muutkin aurinkokunnan kappaleet. Kuun pyöriminen on vain hieman erikoista, vaikkakaan ei mitenkään ainutlaatuista. Kuu pyörähtää itsensä ympäri samassa ajassa kuin mitä sen yksi kierros maapallon ympäri kestää. Toisin sanoen, Kuun pyörähdysaika on lukkiutunut samaksi kuin mitä sen kiertoaika on. Tästä syystä Kuusta näkyy meille maapallolla aina sama puolisko eikä se näytä pyörivan.

Näin on tapahtunut myös muualla aurinkokunnassamme. Esimerkiksi Jupiterin suuret kuut ovat lukkiutuneet pyörimään itsensä ympäri samassa ajassa kuin mitä ne kiertävät Jupiterin ympäri.

K: Mistä lukkiutuminen johtuu?

V: Kuun syntymisen jälkeen se kiersi maapalloa hyvin lähellä. Yhteen kierrokseen kului aikaa noin 20 tuntia. Maapallon gravitaatio sai aikaan Kuun muodon muuttumisen soikeaksi, samoin Kuu aiheutti maapalloon pienen muodon muutoksen, mutta ei läheskään yhtä suurta kuin mitä Kuuhun syntyi.  Ilmiötä kutsutaan vuorovesivoimaksi, koska maapallolla esiintyvä vuorovesi johtuu juuri tästä samasta syystä.

Koska Kuu pyöri itsensä ympäri nopeammin kuin mitä yhteen kierrokseen maapallon ympäri kului aikaa, soikeus ei kohdistunut suoraan maapalloa kohti, vaan oli hieman vinossa. Tämä puolestaan, johti siihen massajakauman epäsymmetrisyyteen Maa–Kuu -linjalta. Epäsymmetrisyys puolestaan synnytti Kuun pyörimistä hidastava vääntömomentin. Aikojen kuluessa tämä vääntömomentti kulutti lähes kokonaan Kuun pyörimismomentin. Siitä jäi jäljelle vain sen verran, että nykyisin pyörimisaika on sama kuin kiertoaika.

Vuorovesivoima johti toiseen samanaikaiseen tapahtumaan – maapallon pyöriminen hidastuu! Kuu sai aikaan maapallolla samanlaisen vuoksiaallon kuin maapallo Kuuhun. Koska maapallon pyöriminen oli nopeampaa kuin Kuun kiertoliike, vuoksiaalto oli Maa–Kuun linjaa edellä. Jälleen epäsymmetrisestä massajakaumasta johtuen maapallon pyörimisliikettä vastaan syntyi vähäinen sitä vastustava vääntömomentti, jonka seurauksena maapallon pyöriminen itsensä ympäri hidastui ja hidastuu edelleen. 

 

 

Kuu etääntyy

On olemassa vielä kolmaskin seuraus maapallon massajakauman vähäisestä epäsymmetrisyydestä. Se aiheuttaa Kuulle sen ratanopeutta kiihdyttävän voiman. Nykyisin tuo voima on suhteellisen vähäinen, mutta heti Kuun synnyn jälkeen se oli huomattavasti voimakkaampi. Vuorovesivoiman seurauksena Kuun ratanopeus pyrki kiihtymään, josta puolestaan seurasi Kuun radan etääntyminen maapallosta. Näin maapallon menettämä pyörimisenergia siirtyi Kuun potentiaalienergiaksi ilman, että se olisi hävinnyt mihinkään.

Näin jatkui vuosimiljardeja aina nykypäivään asti ja näin tulee tapahtumaan myös tulevaisuudessa. Nykyisin Kuu etääntyy maapallosta noin 3,8 cm vuodessa ja maapallon pyörimisliike hidastuu noin 1,7 ms vuorokautta kohti sadan vuoden aikana.

Koska Kuun pyörimisliike on jo lukkiutunut kiertoaikaan, siinä ei tule tapahtumaan muutosta kuin että Kuun etääntyessä Maasta, sen kiertoaika ja pyörähdysaika pitenevät edelleen.  Maapallon pyörähdysaika hidastuu niin kauan kunnes sekin lukkiutuu Kuun kiertoaikaan. Näin on jo tapahtunut Pluto–Charonin järjestelmässä. Aikaa Maan ja Kuun järjestelmän täydelliseen lukkiutumiseen kuitenkin kuluu useita vuosimiljardeja. On mahdollista, että täydellistä lukkiutumista ei ehdi koskaan tapahtua ennen kuin Aurinko laajenee punaiseksi jättiläiseksi tuhoten Kuun ja mahdollisesti myös Maan.

Kuuilluusio

Miksi nouseva tai laskeva Kuu näyttää suuremalta kuin
keskitaivaalla oleva Kuu. Kuva Kari A. Kuure.

K: Miksi Kuu näyttää olevan suurempi ollessaan horisontissa kuin korkealla taivaalla?

V: Kyseessä on kuuilluusiona tunnettu ilmiö jolle ei ole kovin hyvää vastausta olemassa. Ilmeisesti kyse on siitä, että korkealla taivaalla olleessaan Kuun koolle ei ole mitään vertailukohtaa jonka perusteella aivomme pystyisivät hahmottamaan sen koon oikein. Kuun ollessa lähellä horisonttia vertailukohtia on ja tulkitsemme niiden avulla Kuun olevan suuri.

Keskitaivaankansi näyttää olevan matalampi (siis lähempänä)
kuin horisonttiin asti ulottuva taivaankansi. Tästä syystä
tulkitsemme Kuun isomaksi lähellä horisonttia.
Piirros Kari A. Kuure.

Toisen selityksen mukaan tulkitsemme Kuun olevan kiinni ”taivaankannessa”.  Mielikuvamme taivaankannen muodosta on kuitenkin sellainen, että se näyttäisi olevan lähempänä keskitaivaalla kuin horisontissa. Tässä tilanteessa horisontissa olevan Kuun koon me tulkitsemme suuremmaksi kuin korkealla taivaalla olevan Kuun.

Kolmas selitys perustuu tulkintaamme perspektiivistä. Perspektiivin avulla voimme määritellä kappaleelle koon suhteellisen oikein: esimerkiksi näemme lähellä olevan bussin kookkaana mutta kauempana kadulla olevan bussin pienempänä. Perspektiivitajumme johdosta (ja elämän kokemuksesta) tiedämme kuitenkin bussien olevan samankokoisia. Samoin jos vertaamme kauempana olevaa bussia ja hieman lähempänä olevaa henkilöautoa toisiinsa. Näemme ne samankokoisina mutta lähempänä oleva henkilöauto näyttää silti olevan pienempi. Tätä tulkintaa vahvistaa myös kokemuksemme henkilöautojen koosta.