Apa are o temperatură de condensare mult mai scăzută decât alte materiale care compun planetele terestre din Sistemul Solar, cum ar fi fierul și silicatele. Regiunea discului protoplanetar cea mai apropiată de Soare a fost foarte caldă la începutul istoriei Sistemului Solar, din această cauză este greu de crezut că oceanele de apă să se fi condensat împreună cu Pământul în timpul formării sale.
La distanțe mai mari de Soarele tânăr, unde temperaturile erau mai scăzute, apa putea să se condenseze și să formeze planetesimale înghețate. Limita regiunii în care gheața putea să se formeze în Sistemul Solar timpuriu este cunoscută sub numele de linia de îngheț (sau linia de zăpadă) și se află în prezent în centura de asteroizi, între aproximativ 2.7 și 3.1 unități astronomice (UA) de Soare. Prin urmare, este necesar ca obiectele formate dincolo de linia de îngheț – cum ar fi cometele, obiectele trans-neptuniene și meteoroizii bogați în apă (protoplanete) – să fi livrat apă pe Pământ. Cu toate acestea, momentul acestei livrări este încă incert.
O ipoteză susține că Pământul a acumulat (a crescut treptat prin acumularea de) planetesimale înghețate acum aproximativ 4.5 miliarde de ani, când avea între 60 și 90% din dimensiunea sa actuală. În acest scenariu, Pământul a fost capabil să rețină apa într-o formă sau alta pe parcursul acumulării și evenimentelor majore de impact.
Această ipoteză este susținută de similaritățile în abundența și raporturile izotopice ale apei între cele mai vechi meteoriți chondriți carbonici cunoscuți și meteoriții de pe Vesta, ambele provenind din centura de asteroizi a Sistemului Solar. De asemenea, este susținută de studii ale raporturilor izotopice ale osmiumului, care sugerează că o cantitate semnificativă de apă era conținută în materialul pe care Pământul l-a acumulat la început. Măsurătorile compoziției chimice a probelor lunare colectate în cadrul misiunilor Apollo 15 și 17 susțin și ele această teorie și indică faptul că apa era deja prezentă pe Pământ înainte ca Luna să se formeze.
O problemă cu această ipoteză este că raporturile izotopice ale gazelor nobile din atmosfera Pământului sunt diferite de cele ale mantalei sale, ceea ce sugerează că acestea s-au format din surse diferite. Pentru a explica această observație, a fost propusă o teorie numită „veneer tardiv”, conform căreia apa a fost livrată mult mai târziu în istoria Pământului, după impactul care a dus la formarea Lunii. Cu toate acestea, înțelegerea actuală a formării Pământului permite ca mai puțin de 1% din materialul Pământului să se fi acumulat după formarea Lunii, ceea ce implică faptul că materialul acumulat ulterior trebuie să fi fost foarte bogat în apă. Modelele din dinamica timpurie a Sistemului Solar au arătat că asteroizii înghețați ar fi putut fi livrați în interiorul Sistemului Solar (inclusiv pe Pământ) în această perioadă dacă Jupiter ar fi migrat mai aproape de Soare.
O a treia ipoteză, susținută de dovezi din raporturile izotopice ale molibdenului dintr-un studiu din 2019, sugerează că Pământul a obținut cea mai mare parte a apei sale din aceeași coliziune interplanetară care a cauzat formarea Lunii. Dovezile din 2019 arată că compoziția izotopică a molibdenului din mantaua Pământului provine din exteriorul Sistemului Solar, aducând probabil apă pe Pământ. Explicația este că Theia, planeta despre care se spune în ipoteza impactului gigantic că a colizionat cu Pământul acum 4.5 miliarde de ani formând Luna, ar fi putut proveni din exteriorul Sistemului Solar mai degrabă decât din interiorul acestuia, aducând cu sine apă și materiale pe bază de carbon.
Raportul D/H ne poate spune de unde a venit apa
Raporturile izotopice oferă o „amprentă chimică” unică care este folosită pentru a compara apa de pe Pământ cu rezervoarele din alte părți ale Sistemului Solar. Un astfel de raport izotopic, cel al deuteriului față de hidrogen (D/H), este deosebit de util în căutarea originii apei pe Pământ. Hidrogenul este cel mai abundent element din univers, iar izotopul său mai greu, deuteriu, poate uneori să înlocuiască un atom de hidrogen în molecule precum H2O. Majoritatea deuteriumului a fost creat în Big Bang sau în supernovae, astfel că distribuția sa inegală în întreaga nebuloasă protoplanetară a fost efectiv „încuiată” devreme în formarea Sistemului Solar.
Studiind diferitele raporturi izotopice ale Pământului și ale altor corpuri înghețate din Sistemul Solar, se pot cerceta originile probabile ale apei de pe Pământ. Raportul deuteriu-hidrogen pentru apa oceanică de pe Pământ este cunoscut foarte precis ca fiind (1.5576 ± 0.0005) × 10−4. Această valoare reprezintă un amestec al tuturor surselor care au contribuit la rezervoarele de apă ale Pământului și este folosit pentru a identifica sursa sau sursele apei de pe Pământ. Raportul deuteriu-hidrogen a crescut pe parcursul vieții Pământului între 2 și 9 ori față de raportul la originea Pământului, deoarece izotopul mai ușor este mai predispus să se piardă în spațiu prin procesele de pierdere atmosferică. Se consideră că hidrogenul aflat sub crusta Pământului are un raport D/H mai reprezentativ pentru raportul D/H original la formarea Pământului, deoarece este mai puțin afectat de aceste procese. Analiza hidrogenului subteran conținut în lava recent eliberată a fost estimată să arate că existau cu 218‰ mai mult D/H în Pământul primordial comparativ cu raportul actual. Nu se cunoaște niciun proces care să poată diminua raportul D/H al Pământului în timp. Această pierdere a izotopului mai ușor este o explicație pentru motivul pentru care Venus are un raport D/H atât de mare, deoarece apa acelei planete a fost vaporizată în timpul efectului de seră necontrolat și ulterior a pierdut o mare parte din hidrogenul său în spațiu.
Deoarece raportul D/H al Pământului a crescut semnificativ în timp, raportul D/H al apei livrate inițial planetei a fost mai mic decât cel actual. Acest lucru este consistent cu un scenariu în care o proporție semnificativă din apa de pe Pământ era deja prezentă în timpul evoluției timpurii a planetei.
Asteroizii, cel mai probabil, sursa apei de pe Terra
Mai multe studii geochimice au concluzionat că asteroizii sunt cel mai probabil sursa principală a apei de pe Pământ. Chondritele carbonice – care sunt o subclasă a celor mai vechi meteoriți din Sistemul Solar – au niveluri izotopice cele mai asemănătoare cu apa oceanică. Subclasele CI și CM ale chondritelor carbonice au specific niveluri izotopice de hidrogen și azot care se potrivesc strâns cu apa mării de pe Pământ, ceea ce sugerează că apa din acești meteoriți ar putea fi sursa oceanelor Pământului. Doi meteoriți vechi de 4.5 miliarde de ani găsiți pe Pământ care conțineau apă lichidă alături de o mare diversitate de compuși organici săraci în deuteriu susțin și ele această teorie. Raportul actual D/H al apei de pe Pământ se potrivește, de asemenea, cu chondritele eucrite antice, care provin din asteroidul Vesta din centura exterioară a asteroizilor. Se crede că chondritele CI, CM și eucritele au același conținut de apă și raporturi izotopice ca protoplanetele înghețate antice din centura exterioară a asteroizilor care au livrat ulterior apă pe Pământ.
Cometele, cel mai probabil, nu
Cometele sunt corpuri cu dimensiuni kilometrice formate din praf și gheață care provin din centura Kuiper (20-50 UA) și norul Oort (>5.000 UA), dar au orbite foarte eliptice care le aduc în sistemul solar interior. Compoziția lor înghețată și traiectoriile care le aduc în sistemul solar interior le fac ținte pentru măsurători remote și in situ ale raporturilor D/H
Este improbabil ca apa Pământului să fi avut origine exclusiv din comete, deoarece măsurătorile izotopice ale raportului deuteriu-hidrogen (D/H) în cometele Halley, Hyakutake, Hale–Bopp, 2002T7 și Tuttle arată valori aproximativ duble față de apa oceanică. Folosind acest raport D/H cometar, modelele prezic că mai puțin de 10% din apa Pământului a fost furnizată de comete.
Alte comete cu perioade mai scurte (<20 ani), numite comete ale familiei lui Jupiter, provin probabil din centura Kuiper, dar au avut traiectoriile orbitale influențate de interacțiuni gravitaționale cu Jupiter sau Neptun. Cometa 67P/Churyumov–Gerasimenko este o astfel de cometă care a fost subiectul măsurătorilor izotopice efectuate de sonda spațială Rosetta, care a descoperit că cometa are un raport D/H de trei ori mai mare decât apa mării de pe Pământ. O altă cometă din familia lui Jupiter, 103P/Hartley 2, are un raport D/H care este consistent cu apa mării de pe Pământ, dar nivelurile sale izotopice ale azotului nu se potrivesc cu cele ale Pământului.
