Buitenaards blauw

In de laatste uren van de laatste dag van februari 2021 scheurde een 13 kilogram zware ruimterots aan een snelheid van zo’n 13,5 kilometer per seconde door de aardatmosfeer. De extreme hitte en wrijving blakerden het brandende rotsblok, dat de nachthemel enkele momenten lang deed oplichten.

Tegen de tijd dat het grootste stuk puin onzacht neerkwam op een oprit ergens in het Engelse dorp Winchcombe, woog het geen halve kilogram meer. Enkele wetenschappers waren er als de kippen bij: minder dan twaalf uur na de inslag hadden ze het rotsblok al te pakken. Het werd een van de meest ‘verse’ meteorieten die ooit is bestudeerd. ‘Zuiverder dan dit kan haast niet’, zegt planeetwetenschapper Ashley King van het Natural History Museum in Londen.

De Winchcombe-meteoriet is een van de zeldzame koolstofchondrieten in wetenschappelijke collecties © © Geni / Wikipedia

De Winchcombe-meteoriet behoort tot een zeldzame categorie ruimterotsen, de zogeheten koolstofchondrieten. Die rotsen helpen onderzoekers om een van de grootste raadsels over onze aarde op te lossen: waar het water vandaan komt. Wetenschappers vermoeden dat het deels afkomstig is van meteorieten, maar het is onduidelijk hoeveel dan precies. Hebben meteorieten een volledig ecosysteem in gang gezet, of valt hun aandeel te herleiden tot een druppel op een hete plaat?

Rivieren van magma

Voordat de aarde een planeet was, was ze een stofwolk die rond de jonge zon heen draaide. Door een proces dat accretie heet condenseerde dat stof tot keien en stenen. Die botsten met elkaar en raakten versmolten. De stenen klitten samen tot een steeds groter rotsblok, dat uiteindelijk een volledige planeet vormde.

De vroege aarde was niet de blauwe knikker zoals we haar vandaag kennen. De temperaturen piekten tot bijna 2.000 graden Celsius – meer dan heet genoeg om elke druppel oppervlaktewater te verdampen.

Toen de aarde zo’n 1 miljard jaar oud was, was de oppervlakte verzengend heet © NASA/Goddard Space Flight Center/Francis Reddy

Ooit veronderstelden wetenschappers dat de jonge aarde kurkdroog was, maar een recente paper lijkt dat tegen te spreken. De auteurs merkten op dat diverse aarde-achtige exoplaneten al tijdens hun accretiefase bedekt zijn met een waterstofrijke atmosfeer. Toen ze vervolgens een simulatie deden van het ontstaansproces van de aarde, zagen ze dat ook daar heel wat water in de atmosfeer aanwezig bleef en zich uiteindelijk nestelde in de aardmantel – ondanks het feit dat rivieren van magma over de oppervlakte stroomden.

Uit die simulatie blijkt dus dat er al tijdens het ontstaan van de planeet water aanwezig kon zijn. Toch blijven geologen ervan overtuigd dat veel water afkomstig is van buiten de aardatmosfeer. ‘Daar is gewoon te veel bewijs voor. We kunnen het niet zomaar naast ons neerleggen’, zegt geochemicus Anat Shahar (Carnegie Institution for Science in Washington), coauteur van de paper.

Een mogelijk antwoord zit in de waterstof op aarde. Dat komt voor in twee stabiele ‘smaken’ of isotopen: het gewone waterstof, dat uit één proton bestaat, en deuterium, dat bestaat uit één proton en één neutron. Water in de aardmantel heeft zo’n 15 procent minder deuterium dan zeewater. Het water in de oceaan is dus wellicht van elders afkomstig.

Aanvankelijk dachten astronomen dat het deuteriumrijke water via kometen op aarde was beland. Doordat ze voorkomen in de koude buitengordel van het zonnestelsel bestaan ze voor wel 80 procent uit ijs. Maar in 2014 kreeg die theorie tegenwind. Uit data van de Rosetta-missie van ESA bleek dat het water van veel kometen veel meer deuterium bevat dan het aardse water.

Wetenschappers schoven een nieuwe hypothese naar voren. Misschien bereikte het water onze atmosfeer wel via zonnewind, die waterstof- en zuurstofmoleculen vanuit de ruimte aanvoerde? Inmiddels klinkt het dat de concentratie deuterium van die moleculen veel te laag is. ‘De verhouding strookt niet’, zegt geoloog Megan Newcombe (University of Maryland).

Recept voor water

Waar komt dat water dan wel vandaan? Uiteindelijk vonden onderzoekers hun antwoord: asteroïden. En dan met name de koolstofchondrieten. Die kunnen tot 20 procent water bevatten. ‘Dat betekent niet dat een meteoriet nat is wanneer je die aanraakt’, zegt Maria Valdes, die als geoloog werkzaam is aan het Field Museum in Chicago. Wel bevatten de meteorieten de atomaire ingrediënten voor water: een verhouding van twee delen waterstof tegenover een deel zuurstof.

Voor een paper die vorig jaar is verschenen in het vakblad Science Advances gebruikten King en zijn collega’s spectroscopie om de Winchcombe-meteoriet te analyseren. Ze ontdekten dat de verhouding deuterium-waterstof in de meteoriet bijna een op een overeenkwamen met de verhouding in de oceaan. Een opzienbarend resultaat, zeker gezien de snelheid waarmee King en zijn collega’s de meteoriet konden bemachtigen.

‘Meteorieten houden niet van de atmosfeer’, zegt Denton Ebel (American Museum of Natural History). Zodra de rotsblokken in contact komen met de aardse lucht, absorberen de mineralen vanbinnen waterdamp als een spons. Maar omdat de onderzoekers het staal uit Winchcombe binnen de 12 uur na de impact verkregen, was het veel minder dan andere stalen ‘besmet’ met aards water.

De Winchcombe-meteoriet gaat niet vredig de goede nacht in © UKFN / Martin Suttle / The Conversation

Enkele maanden nadat King en zijn collega’s hun resultaten over de Winchcombe-meteoriet hadden gepresenteerd, publiceerden Newcombe en haar team een nieuwe studie. Ook die wees in de richting van koolstofchondrieten. Voor de paper, die eerder dit jaar in Nature verscheen, analyseerden de onderzoekers meteorieten van een andere categorie, genaamd achondrieten. Anders dan koolstofchondrieten zijn deze meteorieten afkomstig van asteroïden of andere rotsachtige objecten die deels gesmolten zijn door straling en geologische processen. Newcombe en haar collega’s stelden vast dat de achondrieten door dat smeltproces uitdroogden. ‘Alles wat we vonden – in het centrum van ons zonnestelsel of aan de randen – was extreem droog’, zegt ze.

Dat betekent nog niet dat koolstofchondrieten de enige bron zijn van water afkomstig van buiten de aarde. ‘Wellicht zijn er nog andere’, bevestigt chemicus Laurette Piani van de Université de Lorraine in Frankrijk. Als alle water in de oceaan werkelijk afkomstig zou zijn van koolstofchondrieten, dan zou er een hele barrage aan meteorieten op aarde moeten zijn ingeslagen. Dat is onwaarschijnlijk, want die koolstofchondrieten zijn eerder zeldzaam.

Volgens Piani zou je zonnewind, kometen, chondrieten en water afkomstig uit de aardmantel in gelijke delen kunnen combineren. Maak je dan de optelsom, dan komt de uiteindelijke isotopenverhouding wellicht overeen met die van onze planeet. Ongetwijfeld kan het exacte recept voor het water op aarde ons meer leren over het ontstaan van onze planeet, en hoe die uiteindelijk is veranderd in de dynamische blauwe wereld die we vandaag bewonen.