Origen del Agua helada en el sistema solar

Federico Campuzano Castro

Qué es un Sistema Solar? Nube de gas y polvo se contrae por accion de la gravedad y comienza a girar a gran velocidad.

Como esta compuesto este sistema solar?

Composicion del sistema Esta formado por una estrella central, cuerpo principal que domina en gravedad y respecto al cual todos los objetos se mueven describiendo orbitas bien definidas

8 planetas 4 Terrestres (Formados por Roca) 4 Gigantes Gaseosos (Formados ppalmente por gas)

Se define a un planeta a un cuerpo que cumple con las siguientes condiciones: 1) un cuerpo celeste que orbita alrededor del la estrella ppal2) Tiene suficiente masa para que su gravedad supere las fuerzas del cuerpo

rígido, de manera que asuma una forma en equilibrio hidrostático (prácticamente esférica).

3) Ha limpiado la vecindad de su órbita de planetesimales

Planetesimales: “particuas” que por acrecion dieron lugar a los planetas y cuerpos del sistema solar

5 Planetas Enanos (no son planetas, sino cuerpos de menor masa que no cumplen la c condicion de planeta)

Cuerpos menores como asteroides y cometas

Solar = estrella ppal: Sol

Edad ≈ 4650 millones de anos

Temperatura de la fotosfera: 6000 KInterior: Ord del millon

CompuestosHidrogeno (H): + % 74 Helio ( He): + % 24Otros elementos: O, Ne, C , Fe , N , Mg , etc.

EnergiaReaccione nucleares, de fusion de atomos de Hidrogeno

Planetas TerrestresMercurio Venus Tierra Marte

rAdio [km] 2459 6051 6378 3395

Distancia [UA] 0.387 0.723 1 1.524

Masas [Terrestres]

0,06 0.82 1 0.11

Planetas Gigantes

rAdio [km] 70850 60330 25400 24300

Distancia [UA] 5.2 9.54 19.22 30.06Masa [masas terrestres]

318 95 14.6 17.2

Jupiter Saturno Urano Neptuno

El polvo de las nubes moleculares y de los gases interestelaress está compuesto de partículas de grafito (carbono) combinado con otros elementos que podrían ser oxígeno, silicio, hierro, magnesio, hierro ( etc..) y, en ocasiones, con una variada gama de moléculas adheridas en su superficie.

Pero, otro elemento (que mas abunda) es el hielo de agua que se generó en las nubes moleculares interestelares.

Estudios tradicionales..

Dato: IncredulidadLa existencia de meteoritos fue rechazada por los científicos durante mucho tiempo; en el Siglo XIX la Academia de Ciencias francesa declaró que los meteoritos no existían, catalogándolos de "fantasía".El naturista francés Georges Cuvier, fundador de la rama de la ciencia conocida como "anatomía comparada", se sumó a la declaración, diciendo que: "las piedras no pueden caer del Cielo, porque en el Cielo no hay piedras“. Tb.. Ojuelos Altos, Fuenteovejuna (Córdoba), Andalucia, Spain

Se encuentra hielo en el sistema Solar? Mucho, poco?

Donde?

Más allá del cinturón de asteroides (1ero,1801) el hielo es muy abundante !

Distribuido en diversos objetos celestes..

Satélites

Estos objetos pueden ser lunas (satélites naturales) de los planetas gigantes como por ejemploDe Jupiter: Europa (componente menor), Ganimedes, Calisto (alto)Sarturno: Titán (alto)Tb en Urano: En Tritón (..)En éstos últimos el hielo constituye cerca del %50 de la masa

Cometas

El agua en estado sólido es abundante en la composición de los cometas. Cuerpos menores del sistema solar que debido a sus movimientos y orbitas respecto del sol, podemos encontrar 2 tipos de cometas según la cantidad de hielo: 1. El mayor sólido en cometas “frescos” (Más allá de Neptuno)2. Un menor componenete en cometas con órbitas similares a los asteroides (≈ 3UA )

Halley Hale Bopp

Problemas

A los cometas no se los puede estudiar desde la tierra en laboratorio ni en excavaciones, sino que solo con satélites e imagentes.

Futuras investigaciones: Mission Rosettafue lanzada el 2 de marzo de 2004. La tarea de la sonda será la de orbitar alrededor del cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko. Debido a la elevada velocidad necesaria, la sonda Rosetta requerirá del impulso gravitacional proporcionado por la Tierra y Marte para que de esa manera pueda adquirir el impulso suficiente hasta alcanzar a 67P/Churyumov-Gerasimenko para el año 2014. Otras misiones: Sturdust(polvo de cometas), Deep Impact(Europa), sonda Phoenix(marte)

Con el avance de la tecnología y de laboratorio, a los meteoritos se los a estudiado muy detalladamente, hallando organizmos orgánicos , y diversidades quimicas muy amplias.

MIÉRCOLES 17 DE FEBRERO DE 2010La diversidad química del Cosmos en un meteorito

El famoso meteorito de Murchison, encontrado hace 40 años en Australia, contiene más de 14.000 diferentes elementos en la composición de la roca espacial.Nos hablan de 3 clases de meteoritos: Los

metalicos, los pobres en metalicos y los integrados ppalm por silicatos

Posibles origenes de la condensacion del agua

1er: Fuentes de agua a partir de la condensacion directa y acreción de la nube molecular

2do: Cómo la formación de planetas gigantes puede haber conducido a una clase distinta quimicamente de agua en el sistema solar

El origen del disco protoplanetario interacción del colapso gravit de un grupo denso de la nube de gas molecular y la conservación del momento angular contenida en el material

Parte de esta materia se disipo en el disco transportando masa hacia el interior y mom angular hacia el exterior

DISCO PROTOPLANETARIO (observado)

Asi es como se observa que la masa del sistema solar, esta concentrada en mas de un %99 en el sol

Mientras que el momento angular se encuentra concentrado en un %98 los planetas!!! (en Jupiter Ppalmente), y el sol aqui solo se lleva el %0.1

Sol: 99.85% Planetas: 0.135% Cometas: 0.01% Satélites: 0.00005% Planetas Menores: 0.0000002% Meteoroides: 0.0000001% Medio Interplanetario: 0.0000001%

Densidades de gas en el disco

Opticamente grueso: (profundidad optica > 1 )

Temp α 1/R

Opticamente fino: (profundidad optica < 1 )

Temp α 1/R**1/2

Estos descensos de temperatura a lo largo del plano medio se determinan por la absorción de la radiación solar por el material del mismo;

considerando esto, definimos :

Silicatos refractarios

Granos que estarán estables en estado sólido más cerca del Proto-Sol (abundantes en silicatos de Carbono y Magnesio)

Hielo

Se encuentra a distancias mayores

Pero.. Cuál es ese límite?

Se define “línea de nieve” a la distancia en que el hielo puede aparecer en forma estable

Cuando la presión parcial (de vapor de agua) es superior que la presión de saturación

TERMODINAMICAMENTE es posible la condensación(temperaturas entre 160 K y 170 K)

(Suponiendo la temp del gas y de los granos igual)

Estos granos

Propiedades Radiativas

Tamanos diversos (0.1 y 10 micrones)

Tamano (ppalmente)

Composición

La longitud de onda ( λ ) sobre la que se produce el pico de emisión es comparable con el tamano de la partícula

a peques pobres radiadores y amortiguadores de la energía térmica

¶ Pero.. Si tenemos en cuenta que la temperatura de estos granos de silicatos puede ser muy inferior a la del gas nebular (Temp interna a la línea de nieve)Donde solo son silicatos estables (150 – 170 K)

Nebulosa del Plano medio es Opticamente Grueso!

Porque entonces el gas es la única fuente de calefaccion

En la superf óptica (o fotosfera) de la nebulosa, donde el gas se convierte (opticam fino) y granos se evaporan debido al gas de baja presión y la radiación directa del Sol

A pesar de las bajas tazas de evaporacion de los granos a estas temperaturas

granos de hielo sucio (con agentes de oscurecimiento) puede evaporarse en un tiempo de vida de 10 millones de anos

granos de hielo “limpios” tienen una vida mas larga y estos dependerán de los otros materiales que se encuentren atrapados en el agua con hielo durante su formación y de cómo la radiación los altere

Se oscurecen y se adieren a los granos de agua

Pueden ser transportados hacia el interior por el arrastre del gas nebular mismo(constituye una modificación importante en el gas)

(Gases nobles tb: He, Ne, Ar, Kr, Xe)

Granos muy pequenos actúan como moléculas de gas, afectados sólo por las colisiones con las moléculas circundantes; sus trayectoria debido a la fricción se retrasan, causando una espiral hacia el interior del centro del disco. (tamanos variables dependen de muchos factores pero van de los centimetros a las decenas de kilometros)

Particulas se evaporan al pasar por la linea de nieve hacia el interior del disco

Estos efectos pueden imponer cambios significativos en el estado de oxidación del gas

+ Efectos cinéticos propios tb pueden hacer que caigan hacia el interior

Linea de nieve (snowline)

• Definimos: línea imaginaria (dist) a partir de la cual los granos de hielo de agua son estables y abundan

Tb se define otra línea: Línea de “hidratación” Región de estabilidad termodinámica dentro de la línea de nieve a temperaturas aprox de 225 – 250 KEstudios en laboratorios indican que estas reacciones de hidrat suceden dentro de los meteoros (esto mostraria el agua dentro de asteriodes)

Los cuerpos formados mas alla de esta linea de nieve tendrían una composición isotópica, para el agua la misma que se encuentra en las condritas carbonaceas, pero en particular con una proporcion de deuterio e hidrógeno, con una media del “SMOW” (Standar mean ocean water)

Puede ser que la formación de estos silicatos, tenga una falta de agua, eso genera debates a la hora de explicar la formación del agua en la tierra

Acrecion de los granos de agua en estado solido, se formarian directamente en la nube molecular, por adhesion directa de granos de silicato preexistente en la nube a muy bajas temperaturas (solidos amorfos)

Se producen los fenomenos fisicos de :

Sublimacion: accion dinamica y recalentamiento por choques

Recondensacion: temperaturas del disco debido a la temp en relacion a la distancia del Sol (estrella principal) mismo efecto que determina la linea de hielo

La linea de hielo pordia ser 30 UA originalmente en el proto disco por las altas tazas de acrecion de materia y las altas temp del disco mismo.El amplio rango entre 2 y 30 refleja el amplio rango de las posibles cond durante la vida del disco

La principal cant de agua que se encuentra en el disco protoplanetario debe de haber tenido su origen ppalmente en la sublimacion del hielo en esos granos amorfos de silicato, quienes luego sean los precursores del colapso de grupos de la nube que dieran lugar a la formacion de estrellas y planetas en el disco

Efectos practicos de la sublimacion y la recondensacion

1 – convierte los granos de hielo amorfo en hielo cristalino

2 - redistribuye las sustancias mas volátiles que el agua congelada de la captura en esa nube de gas de los granos de polvo y por lo tanto, en otra fase de la reforma de hielo y granos de silicato.

Se espera que el medio de la nebulosa contenga una mezcla entre silicatos amorfos y hielo cristalinoSilicatos amorfos: granos de polvo que sobrevivieron a la contraccion de la nube del discoHielo cristalino: vapor 1 –

Cometas: esta mezcla es visible aquiMezcla de hielo cristalino y amorfo. Pero no presentan grande cambios de temperaturas en sus interiores gracias al hidrogeno que preserva a estos granos amorfos

Es muy dificil cuantificar hoy en dia las condiciones en los entornos de los planetas gigantes durante su formacion:

los modelos ya vistos son: “Inestabilidad gravitacional” (ajusta bien a la escala de tiempo,pero esta teorıa tiene muchas dificultades para explicar la existencia de nucleos solidos en los planetas gigantes) y el mas aceptado hoy en dia que es el modelo de “inestabilidad nucleada” en el cual el planeta comienza a formarse a traves de la acumulacion de planetesimales, los cuales colisionan en forma inelastica con un nucleo de una masa mucho menor a la terrestre. Este nucleo, que tiene una densidad de alrededor de tres veces la del agua, al estar inmerso en un disco con componente gaseosa, poco a poco comienza a ligar una capa de gas, la cual inicialmente tiene una masa varios ordenes de magnitud menor que la del nucleo. Al momento en el que el nucleo llega a tener una masa del orden de diez veces la terrestre, se produce la inestabilidad nucleada, segun la cual en una escala de tiempo muy corta (de unos miles de anos) el planeta acreta la mayor parte del gas que lo compone y alcanza su masa final. La duracion total del proceso es de algunos millones de anos (del orden de las unidades a la decena)

Jupiter linea de nieve ( Ganimedes, Calisto) (200 K) Linea de Hidratacion (Europa)

Casi seguro significa que se condensa el agua cristalina del hielo en lugar del hielo amorfo

Asi es como la poblacion de planetesimales en los discos circumplanetarios diferiran de sus prop fisicas y la composicion volatil de los de la nebulosa solar

Junto con lunas de otros planetas, como puede ser el caso de lunas de saturno, y Triton, de Neptuno que con sucorteza de nitrógeno congelado sobre un manto de hielo el cual se cree cubre un núcleo sólido de roca y metal.Tritón tiene una densidad gran densidad y está compuesto por aproximadamente un 15-35% de agua helada

Estos cuerpos constituyen el 3er deposito de agua en el sistema solar!

Tb en los planetas marte y Venus, hay indicios de que hubo agua en algun tiempo pasado

El agua en la tierra

Caracteristicas:

Juega un rol importante en la evolucion de la vida!

El 1er organismo molecular en la Tierra ha sido un sintetizado en esta solucion acuosa y escudo de los mismos frente a las altan radiacones de rayos UV y tb protector de todos los organizmos vivos de los heavy meteoritos y cometas que puedan haber impactado y impactan continuamente el planeta

Pero..

El conocimiento del origen y la evolucion de los oceanos es “pobre” y universalmente no hay un modelo que sea aceptado, porque no hay muchas pruebas geologicas debido a que el paso del tiempo ha borrado evidencia a causa de la intensa actividad tectonica en esta tierra joven, primitiva

Muestras geologicas encontradas en Australia reducidas a estudios del zirconio muestran la presencia de agua liquida muy temprana en la tierra; y estos estudios fueron toda una revolucion para una vision geologica de la tierra en sus origenes.

Si consideramos que Tierra se formo hace 4500 millones de anos, y estudios estimados nos dicen que la evolucion del agua tb es un hecho que data de unas decenas a centenas de millones de anos posterior.. Muchos fueron los cambios que sufrio en su estructura para que los primeros organismos vivos aparecieran ( posiblemente, estreomatolitos)

Cuando y como el agua fue entregada a nuestro planeta?

Las propuestas hasta ahora son 2:

1) Durante la acrecion se entrego agua, y asi se puede pensar que los oceanos ya estaban desde el principio

2) Una entrega de agua durante millones de anos

Estas ideas generan el debate:

Cuando ceso? O mientras cuando?

Estudios desde el espacio muestran que anualmente ingresan una cantidad de cuerpos cometarios que nos permite dar la idea de que, teniendo en cuenta esto, si calculamos la masa de agua aprox manteniendo la taza constante de impactos:

La masa es de 2.2- 8.5 x 10**24 kg 3 veces mas que la que se registra hoy1.4 x 10**21 kg

Pero.. Estos resultados generan conflictos y esta hipotesis cometaria no esta aceptada univesalmente..Cientificos han mostrado que usando modelos con variaciones en estas masas de estos objetos para poder obtener la masa de agua que hay hoy dia introducida desde afuera por elementos cometarios es poco probable

Hipotesis universales:1era: Agua y otros volatiles se desgasificaron desde el interior de la tierra en el momento de su formacion (1951, Rubey)

2da: Sugiere que la acrecion de embriones planetarios hasta el final de la etapa de formacion conforma la masa de agua presente en la tierra(estos embriones tendrian una composicion de condritos carbonaceos y fueron originalemente formados en la region de los troyanos)

Condritas carbonáceas

son agrupados de acuerdo a las composiciones distintivo pensado para reflejar el tipo de órgano principal del que derivan. Estos llevan el nombre de un destacado meteorito - a menudo el primero en ser descubierto - en el grupo.

Varios grupos de las condritas carbonáceas, en particular los grupos de CM y la IC, contienen un alto porcentaje (3% a 22%) de agua, [2], así como compuestos orgánicos. Están compuestos principalmente de silicatos, óxidos y sulfuros, mientras que la olivina minerales y serpentinita son característicos. La presencia de compuestos orgánicos volátiles y el agua indica que no han sufrido un calentamiento significativo (> 200 º C) desde que se formaron, y sus composiciones se consideran próxima a la de la nebulosa solar de la que el sistema solar condensada. Otros grupos de condritas C, por ejemplo, CO, CV, y condritas CK, son relativamente pobres en compuestos volátiles, y algunos de ellos han experimentado un calentamiento significativo de asteroides de sus padres.

Estudios de testeo con tecnicas geologcas, propusieron las siguientes ideas:

1) Podria provenir de la erosion de las costas de los contienentenes (en ese momento) que se sabia que contienen gran cantidad de agua, mayormente en minerales hidratados

Pero una vez que integro estos resultados, la masa observada de agua generada era insuficiente!!

La masa contienental: 2.4 x 10**24kg solo el %1 es H2OPor lo tanto, solo se justificaba el %10 del agua hoy en dia medida con esta tecnica

2) Estudiando los volcanes se encontraron datos muy importantes:

H2OEl gas por la emision de los volcanes es principalmente CO2

Sulfatosmenores Nitrogeno

Gases raros

Estos gases que fueron los volatiles atrapados durante la acrecion de la tierracorresponden a la formacion de la atmosfera! , los oceanos y sedimentos!

La degasificacion del interior de la tierra ha sido demostrada con la prueba de los gases nobles

1970_ Observaciones en las islas Galapagos encontraron unas anomalias en las aguasHabia una gran concentracion del isotopo de He hallado en las muestras del lugar

Esta medida era mas alta que la esperada en los oceanos y deberia corresponder a una composicion de la atmosfera primitiva, que quedo impresa en esa region en los fosiles encontrados

Debido a la gasificacion de los volatiles del manto superior fue la causa

Estos procesos de desgasificacion tuvo lugar en los primeros 100millones de anos luego de la acrecion (4.4) . Por el estudio de gases extintos, radionucleidos (Pu,I,Xe)

Al observa los gases nobles: Los volatiles atrapados durante la formacion de la tierra deriva del gas y polvo de la nebulosa protosolar (PSN)

Pero por las altas temperaturas debido a la cercania de la tierra con el sol no permite la incorporacion (se condensaba todo) de los elementos volatiles como C,N, O, H

Entonces tenia que tener otro origen en la tierra y la gasificacion puede explicar este fenomeno

Esto es confirmado al estudiar la asignatura isotopica del agua, calculando un promedio entre D/H en los oceanos

- Esta medida varia mucho en el sistema solar- Por lo general aumenta cuando nos alejamos del Sol, tal que el deuterio se enriquese- Se estima usando como referencia la composicion de isotopos de He en el Sol y el H en la alta atmosfera de los planetas Gigantes

Esta medida D/H en la PSN era & veces mas bajo que el D/H en los oceanos

Estudios indicaron que planetesimales en las orbitas de Jupiter y Saturno tienen D/H similar al de los oceanos y solo 2 tipos de cuerpos pueden ser la fuente de esto:Cometas y Hidrocarbonaceos

Composicion del cometa H2OCH3OH - Silicatos, CarbonoMaterial OrganicoCO y CO2

Estos cuerpos posiblemente provenientes de la Nube de Oort

Tb presentes enn la orbita de Urano y Neptuno

Condritos Carbonaceos

Una de las caract mas importantes que llegan a 22g H2O / 100g de roca

Pero solo el %4 de los meteoros que cayo en la tierra son de este estilo!40000 toneladas de estos elementos al ano aprox caen en la tierra (2 UA)

Tambien se estudio la relacion D/H en los 3 cometas mas importantes:

Halley (95), Hale – Bopp y Haykutak (98) y esta relacion nos da 3 veces mas que la obtenida de los oceanos

Por lo tanto no contribuyen significativamente al deposito de agua en la Tierra

Pero hay gente que tvia defiende esto y dice que el D/H medido son cometas de largo periodo (U-N) y aceptando el modelo de que los cometas enriquesieron a la PSN Igual no se llega a observar de 10 veces mas D/H

Entonces lo que se sugiere es que estos cometas tendrian que haber venido de las orbitas de jupiter y consecuentemente las temp de 100 K muestran D/H bajos, debido al cambio con el hidrogeno del disco protosolar

El tiempo de vida de los cometas en estas orbitas son cortos, del orden de 10**5 anosPor lo tanto tienen una baja probabilidad de chocar con la tierra

Entonces se llego a la conclucion de que la contribucion del agua cometesimal es no es la mas importante

Asi es como el debate continuo y se pudo llegar a un comun acuerdo en el 2000, aprox, que el %90 del agua de cuerpos como asteroides pequenos con composicion condritica y provenientes de mas alla del cinturon de asteroides

La presencia de una cantidad de siderofilos en el manto explica que los elementos que se forman en el nucleo solo pueden encontrarse hoy por una adicion tardia luego de que e nucleo se diferencio del manto, 4.45.

Modelo Final mas aceptado:

-Agua aparece en la superficie poco tiempo dps de la acrecion del planeta

- Las condritas hidrocarbonaceas y menos cantidad de cometa (50, 150 millones dps de 4500)

- Atmosfera: del vapor de agua generaron la 1er atmosfera muy toxica y con gran cantidad de dioxido de carbono y temperaturas > 250 grados

- pocas decenas de millones d anos despues bajo la temperatura, lo suficiente (80 - 110) permitiendo el desarrollo de los 1ers extremofilos

- los sedimentos de vida mas antiguos datan de 3.8

Por lo tanto como idea general

Se supone que la formacion del agua se debe ppalmente a la desgasificacion de los gases interiores en el manto, ese primer manto que debido a los impactos continuos de agentes externos, permitia la salida de gases mas internosAdemas se supone que hubo una inyeccion de materia organico exterior, posiblemente de cometas

Los gases se depositaron en la atmosfera primitiva que gracias al dioxido de carbono y el efecto invernadero que este generocon, la tierra logro enfriar, dando lugar a la evolucion biologica