Vanadij otkriva povijest Mjeseca – i Zemlje

Prije 4,1 milijarde godina Zemlja se srela s Thejom – i nastao je Mjesec. Kako je taj susret izgledao otkriva izotopska analiza vanadija.

Nenad Raos subota, 10. travnja 2021. u 06:06

Među znanstvenicima su se dugo vodile diskusije (i još se ponekad vode) o sastavu prvotne Zemljine atmosfere – i to s valjanim razlogom: o sastavu prvog plinskog omotača našeg planeta ovisi dobar dio odgovora na pitanje kako je nastao život na Zemlji. Tridesetih godina prošlog stoljeća ruski je biolog Oparin smatrao da je prva Zemljina atmosfera bila sastavljena od ugljikova dioksida i monoksida, dušika i, dakako, vodene pare. Poslije dvadesetak godina evo nove teorije: Zemljina se atmosfera sastojala od vodika, metana, amonijaka i – opet  neizbježne – vode, u obliku vodene pare. Obje su atmosfere bile reduktivne (tj. u njima nije bilo slobodnog kisika) – u tome se svi slažu – no druga je atmosfera bila reduktivnija od prve.

I što sad? Onaj drugi sastav atmosfere, koji je predložio Urey, postao je općenito prihvaćen zahvaljujući Ureyjevom nadobudnom studentu Stanleyu L. Milleru. On je 1953. godine izveo valjda najpoznatiji pokus u povijesti istraživanja postanka života: propuštajući električne iskre kroz smjesu plinova koja je prema teoriji njegovog profesora odgovarala Zemljinoj atmosferi, dobio je mnoge za postanak života važne organske spojeve, među njima i aminokiseline.

A onda su se stvari počele komplicirati. Oparin nije bio kemičar (nego biolog), pa nije napravio ništa slično Millerovom eksperimentu, ali drugi jesu – te su pokazali kako su za život važne tvari mogle čak lakše nastati u Oparinovoj negoli u Ureyjevoj atmosferi. Nakon toga evo ključnog dokaza, ali ne sa Zemlje nego s Mjeseca. Na njemu je u krateru Fra Mauro za misije Apollo 15 pronađena stijena, poznata kao Genesis Rock, stara čak 4,1 milijarde godina. Zaključak: Mjesec je nastao kada je Zemlja bila već formiran planet. Posljedak: u Zemlju je nedugo nakon njezinog postanka (prije 4,5 milijardi godina) udarilo svemirsko tijelo veličine Marsa pri čemu je nastao Mjesec, no svemirsko je tijelo usto otpuhalo prvotnu Zemljinu atmosferu, Ureyjeva tipa. Nakon toga je iz vulkanskih plinova nastala nova atmosfera, atmosfera kakvu je predlagao Oparin. Zagonetno svemirsko tijelo dobilo je ime Theia, u varavoj nadi da će se pukim pridjevanjem imena proširiti znanje. No, neće. Time će se samo prikriti neznanje.

Ali evo novog znanja. Ove se godine u časopisu Nature Communications  pojavio rad američkih znanstvenika „Isotopic evidence for the formation of the Moon in a canonical giant impact (Izotopski dokaz o nastajanju Mjeseca prema kanonskom modelu divovskog sudara)“. Riječ je o tome da su uspoređujući izotopski sastav stijena sa Zemlje i Mjeseca te meteorita (hondrita) autori rada uspeli do kraja ispričati priču o sudaru Zemlje s Thejom, ako tu priču bude ikada moguće do kraja ispričati.

Od mnogih kemijskih elemenata u silikatnim stijenama znanstvenici su se odlučili za vanadij jer je riječ o metalu koji gradi minerale, naročito silikatne, koji ne hlape lako. Vanadij ima dva izotopa: 99,75 % vanadija čini teži izotop (51V), a 0,25 % lakši (50V). To zna svaki kemičar, pa i nekemičar ako pogleda u tablicu periodnog sustava elemenata. No geolog zna da izotopski sastav varira. I evo: usporedba izotopskog sastava vanadija ukazuje na značajne razlike između sastava Mjesečevih i Zemljinih silikatnih stijena i – još važnije – ukazuje na sličnost s izotopskim sastavom najstarijih meteorita, hondrita.

Riječ je o tome da u hondritima, koji potječu od svemirskih tijela od kojih su se formirali planeti, ima manje težeg vanadijevog izotopa (51V) nego na Zemlji. Stijene na Zemlji obogaćenije su za 223 ppm, a stijene na Mjesecu za 52 ppm vanadijem-51, mjereno prema standardnom uzorku, od hondrita. Što to znači? 

Ako je izotopski sastav Mjesečevih stijena između izotopskog sastava zemaljskih stijena (bulk silicate Earth, BSE) i izotopskog sastava hondrita (ch.), onda Mjesec nije nastao samo od Zemlje. Drugim riječima, nije pokraj Zemlje proletjela Theja pa od nje otrgla komad (od kojeg je nastao Mjesec), a potom se izgubila u beskraju svemira. Ona je udarila u naš planet, pa stvorila od sebe i dijela Zemlje oblak prašine od kojeg je potom nastao Mjesec.To pokazuje upravo ovo istraživanje. I više od toga. Kompjutorska simulacija ukazuje da se Mjesec sastoji 79 – 87 % od materijala s Theje, a samo od 13 – 21%  materijala sa Zemlje. Rezultat simulacije ovisi o veličini Theje, za koju se pretpostavlja da je bila planet s masom 0,8 – 1,2 mase Marsa, ili 0,32 - 0,45 mase Zemlje. Sudar mlade Zemlje i Theje bio je događaj s kojim se nijedna katastrofa na Zemlji – na svu sreću – ne da usporediti. 

 

Nenad Raos je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik, sada u mirovini. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti pišući za časopise Prirodu (kojoj je sedam godina bio i glavni urednik), Čovjek i svemir, ABC tehnike, Smib i Modru lastu. Autor je i 13 znanstveno-popularnih knjiga od kojih je jednu, „The Cookbook of Life – New Theories on the Origin of Life“ (izišlu 2018. godine), napisao na engleskom jeziku. Urednik je rubrike „Kemija u nastavi“ u časopisu Kemija u industriji, za koji piše i redovite komentare. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.