Het verhaal van water in het zonnestelsel

De chemische elementen in water – waterstof en zuurstof – behoren tot de meest algemene elementen in het universum. Astronomen hebben de vingerafdruk van water gevonden in gigantische interstellaire gaswolken, in planeetvormende schijven rondom jonge sterren én in de atmosferen van verre exoplaneten.In het zonnestelsel hebben meerdere werelden mogelijk een ondergrondse oceaan, terwijl nog veel meer werelden waterijs en/of waterdamp bevatten. Water kan gevonden worden in primitieve objecten, zoals kometen en asteroïden, en in dwergplaneten, zoals Ceres. De dampkring van de vier grote gasreuzen zit tjokvol met waterdamp en hun ringen en manen bevatten enorme hoeveelheden waterijs.Het zijn echter vooral de grote manen van Jupiter en Saturnus die mogelijk een complete oceaan herbergen. We hebben het hier over Ganymedes, Callisto en Europa bij Jupiter en Titan en Enceladus bij Saturnus. Het bewijs voor een oceaan op Ganymedes is recent gegeven door de Hubble-ruimtetelescoop. Deze zoutwateroceaan zit wellicht ingeklemd tussen twee diepe lagen van waterijs.

Europa en Enceladus worden geacht een ondergrondse oceaan te herbergen die in contact staat met mineraalhoudende rotsen. Deze twee werelden zijn wellicht in het bezit van de drie belangrijke ingrediënten voor het leven zoals wij dat kennen: vloeibaar water, essentiële chemische elementen voor biologische processen én een energiebron die door levende wezens benut kan worden.Enceladus is in het bezit van actieve geisers en men heeft aanwijzingen gevonden voor hydrothermische processen op de “zeebodem” – een vruchtbare levensomgeving voor het leven. Bij Europa geldt hetzelfde: ook hier zijn wellicht hydrothermische processen gaande, vergelijkbaar met de zogenaamde “zwarte schoorstenen” die in de aardse oceanen gevonden kunnen worden.

Ruimtesondes hebben zelfs sporen van water gevonden in permanent donkere kraters op de maan en Mercurius, terwijl de planeet Mars in het bezit is van ijskappen en uitgestrekte gletsjers, die door een dikke stoflaag aan het oog worden onttrokken. In het verre verleden moet Mars veel meer water bevat hebben: men heeft sporen gevonden van oeroude stroomgeulen en rivierbeddingen.Een paar weken geleden hebben wetenschappers van NASA een schatting gemaakt van de hoeveelheid water die de planeet in het verleden is kwijtgeraakt. Het blijkt dat de Rode Planeet genoeg water bevat moet hebben om een uitgestrekte oceaan te vullen! Deze oceaan zou een groot deel van het noordelijke halfrond bedekt hebben en plaatselijk kilometers diep zijn geweest.

WIST JE DAT: Zwarte schoorstenen in de jaren ’80 ontdekt zijn op aarde? Voorheen dacht men dat de zeebodem zeer arm aan leven zou zijn, maar dat blijkt helemaal niet te kloppen. In de buurt van vulkanische gebieden kunnen op de zeebodem plekken gevonden worden waar heet en mineraalrijk water opborrelt vanuit het inwendige van de aarde. De mineralen vormen zwarte afzettingen, die een soort van “schoorsteen” vormen. Vanuit zo’n schoorsteen blijft dan vulkanisch water de zee in stromen. Tot ieders verbazing bleek het in de buurt van deze schoorstenen te wemelen van het leven, ondanks de barre omstandigheden. De druk is hier immers immens, de zon schijnt hier nooit en het water is superheet bij de schoorsteen en ijskoud daar van vandaan. Toch heeft zich hier een heel ecosysteem ontwikkelt en wetenschappers vermoeden zelfs dat het leven op aarde wellicht hier is ontstaan: op de bodem van de zee, in de buurt van hydrothermische schoorstenen, en dus niet vanuit een “oersoep” aan het oppervlak.

Zeer recent is ontdekt dat op Mars nog altijd vloeibaar water kan stromen, maar het gaat hierbij uitsluitend om kraterwanden, waar in bepaalde delen van het jaar kleine hoeveelheden hyperzout water naar beneden stroomt. Maar dit beetje water valt in het niet bij de uitgestrekte hydrosfeer die de Rode Planeet ooit gehad moet hebben.Waar is dat water eigenlijk gebleven? Een deel is nog altijd in de vorm van ijs aanwezig, terwijl het grootste deel is verdwenen met de dampkring van de planeet. Mars had vroeger een dikke dampkring, maar de zonnewind heeft het grootste deel van deze atmosfeer weggeblazen – inclusief een flink deel van het water. Maar hoe kan dat gebeuren? Als de zonnewind zo’n invloed kan hebben op de dampkring van een planeet, waarom is de aarde dan niet haar water kwijtgeraakt? Het sleutelwoord in deze luidt: “magnetisme”.

Het aardmagnetisch veld, dat diep in het in inwendige wordt opgewekt, beschermt onze planeet tegen de eroderende werking van de zonnewind (een stroom van elektrisch geladen deeltjes die voortdurend door onze moederster wordt uitgestoten). Mars is echter veel kleiner dan de aarde en verliest daarom veel sneller warmte. Als gevolg is de Rode Planeet van binnen voor een groot deel gestold en wordt geen wereldomvattend magnetisch veld meer opgewekt. Hierdoor is Mars ten prooi gevallen aan de zonnewind en heeft hiermee het grootste deel van z’n levensvatbare water verloren.Het begrijpen hoe de verspreiding van water in het zonnestelsel tot stand is gekomen kan ons veel meer vertellen over hoe de planeten, manen, kometen en andere objecten in het zonnestelsel zo’n 4,5 miljard jaar geleden zijn gevormd vanuit de wervelende schijf rondom de pasgeboren zon. Dichtbij de zon was het te heet voor water, terwijl het op grotere afstand koud genoeg was om water te laten condenseren. De scheidingslijn tussen die twee gebieden wordt de “sneeuwlijn” genoemd en bevindt zich ongeveer op de huidige locatie van Jupiter. Zelfs vandaag de dag is die sneeuwlijn nog van belang – het is namelijk het punt waarop kometen actief beginnen te worden en ijsdeeltjes (en overig materiaal) beginnen te sproeien.

Wetenschappers denken dat het in de begindagen van het zonnestelsel te heet is geweest om water te laten condenseren op de binnenplaneten (Mercurius, Venus, de aarde en Mars). Dat betekent dat het water achteraf moet zijn aangeleverd door kometen en overige ijzige objecten. Momenteel zijn NASA-wetenschappers, in het kader van de Dawn-missie, de dwergplaneet Ceres aan het bestuderen. Deze wereld zou een waterrijk inwendige kunnen hebben, vergelijkbaar met de objecten die het water naar de binnenplaneten, inclusief de aarde, hebben gebracht. Hopelijk kan de studie van Ceres ons meer vertellen over het verhaal van het water in het zonnestelsel in het algemeen, en het verhaal van het water op aarde in het bijzonder.De hoeveelheid water in de reuzenplaneet Jupiter vormt nog een belangrijk puzzelstuk in ons begrip van het ontstaan van het zonnestelsel. Jupiter was vermoedelijk de eerste planeet die ontstaan is en bevat het leeuwendeel van het materiaal dat niet in de zon terecht is gekomen. De verschillende theorieën over het ontstaan van Jupiter vallen of staan met de hoeveelheid water die de planeet heeft opgezogen. Om dit mysterie te ontrafelen zal NASA’s Juno-missie media 2016 gaan beginnen met het meten van de hoeveelheid water in Jupiter.

Het is gemakkelijk om het verhaal van het water op aarde te vergeten. Ons water is echter ergens vandaan gekomen – iedere wereld in het zonnestelsel heeft het water uit een gemeenschappelijke bron geput. De volgende keer dat je een glas water drinkt, bedenkt dan goed dat het water in dat glas ooit in een komeet kan hebben gezeten, of in de verdwenen oceaan van Mars.Bovendien hebben we dit verhaal beperkt tot het zonnestelsel. Er zijn echter talloze planetenstelsels bij andere sterren gevonden en ook deze planeten blijken water te bevatten – in de vorm van waterdamp weliswaar, maar als de processen die ons zonnestelsel hebben geschapen ook geholpen hebben om exo-zonnestelsels te boetseren, dan moeten er zeker planeten bestaan met oceanen – oceanen met een gematigde temperatuur, die zachtjes op verre stranden klotsen, onder het zachte schijnsel van een vreemde maan. Bron: NASA

INTERVIEW:Ik heb een aantal vragen voorgelegd aan Preston Dyches, medewerker van NASA. Hij was zo vriendelijk deze te beantwoorden :)”Hoe heeft Mars eigenlijk zijn magnetisch veld verloren?”– Mars heeft nog altijd kleine gebiedjes met een magnetisch veld, maar het gaat hier om fossiele velden – magnetische velden die “bevroren” zijn in de onderliggende rotsen. Een wereldomvattend magnetisch veld heeft Mars echter al lang niet meer. Vermoedelijk doordat de Rode Planeet veel kleiner is dan de aarde en dus veel sneller warmte verliest. Als gevolg daarvan is de vloeibare metaalkern gestold en de magnetische dynamo uitgeschakeld. Vanaf dat moment heeft de zonnewind vrij spel gehad. Het is echter mogelijk dat een soort van enorme inslag dit proces heeft versneld.“Kan Ceres werkelijk beschouwd worden als representatief voor de objecten die het water op aarde aangeleverd hebben? Ik dacht dat kometen hiervoor verantwoordelijk zouden zijn en Ceres is niet bepaald een komeet.”– Ceres is een waterrijk object en er bevinden zich vele waterrijke ruimterotsen in de planetoïdengordel. Soms wordt zelfs gesproken van “gordelkometen”! Vermoedelijk zijn veel van deze objecten de restanten van een aantal veel grotere objecten (ongeveer zoals Ceres) die ooit uiteen zijn geslagen. Een deel van die brokstukken zouden makkelijk het water op aarde gebracht kunnen hebben. Kometen zouden ook een bron gevormd kunnen hebben, maar uit onderzoek blijkt dat kometen een iets ander type water bevatten dan het water op aarde (refererend naar de verhouding tussen deuterium en waterstof in het water op aarde en op kometen).“Als Enceladus voortdurend water de ruimte in spuugt, en zelfs een complete ring van Saturnus gevormd heeft, dan moet Enceladus een behoorlijk deel van z’n massa verloren hebben. Is het maantje dan niet z’n eigen oceanen langzaam aan het vernietigen?”– Het is onwaarschijnlijk dat Enceladus, dat vooral uit waterijs bestaat, al zijn water zal verliezen tijdens de geprojecteerde levensduur van het zonnestelsel. Als je het alleen hebt over z’n vloeibare water, dan is de uitkomst minder zeker. Momenteel wordt daar onderzoek naar verricht. Hiertoe moeten ze eerst vaststellen hoe snel Enceladus materiaal verliest als gevolg van z’n vulkanische activiteit. Dat kun je doen door de massa van de E-ring te bepalen (de ring van Saturnus die gevormd wordt door het spul dat Enceladus voortdurend uitbraakt) en zo vaststellen hoeveel massa Enceladus verloren heeft. Aan de hand daarvan kun je dan de levensduur van z’n vloeibare oceaan vaststellen.