Our sun floods the solar system with energy and it is not convenient to be too close, like Mercury, nor too far, like the asteroid belt and the outer planets. However, because the Sun emitted 30% less energy at the beginning of its existence than now, all Earth’s water would have been frozen had the early atmosphere had not been saturated with insulating greenhouse gases.
We are privileged because we have water in the conditions necessary for chemical diversity, biochemistry, and life. If there is life elsewhere in the solar system or the universe, we can define the temperature range in which it will be found: close to the range between 0 and 100 ºC—that is, between the freezing and evaporation temperatures of water, depending on the pressure.
Venus's atmosphere continues to be saturated with enormous amounts of carbon dioxide, and its surface temperature could melt lead. Mars is too small and lost its greenhouse gases, but in the past, it had liquid water and could harbor life, while now superficial water is only found in the form of ice, mainly at its poles.
Until recently it was commonly accepted that the high temperature present during the formation of the Earth would have prevented the accumulation of water. All water would have arrived later, once the planet cooled, in comets and meteorites. However, newer evidence suggests that most of the water was in the materials that formed our planet, partly as hydrogen that combined with oxygen later (1). Zirconium silicate is possibly the oldest known mineral (2), and serves as a time capsule that allows the analysis of the geological states of the planet. Crystals of Zirconium, 4.4 billion years old, suggest Earth, from very early on, was a relatively stable world, and the surface was occupied mostly by water (3).
Because of the heat generated after proto-Earth’s collision with Theia—which formed the Moon from material blasted out into space—most of the water should have been in the form of atmospheric water vapor. When the water cooled and became liquid, it could begin to penetrate into the interior of Earth, where it should still be present (4). The first ocean could have contained up to three or four times more water than exists in today's seas, so that merely the top of any volcano could have reached the water’s surface until at least 3.5 billion years ago (4). Continents may have started to emerge 3.3 to 2.5 billion years ago (5). Water has also been found on the Moon. The origin of lunar water is under debate, but it may be very useful for future explorations (6).
The presence of water has been observed in comets, even beyond our solar system. Comet 2I/Borisov, coming from interstellar space, also appears to carry water that formed elsewhere in the universe (7). Liquid water also may be present in other solar systems, such as the planet K2-18b, twice the size of Earth. This world, 110 light-years from us, is located in the possibly habitable zone of its system and shows signs of clouds and rain (8).
Versión en español:
Nuestro sol inunda de energía el sistema solar y no es conveniente estar demasiado cerca, como Mercurio, ni demasiado lejos, como el cinturón de asteroides y los planetas exteriores. Sin embargo, debido a que el Sol emitía un 30% menos de energía al comienzo de su existencia que ahora, toda el agua de la Tierra se habría congelado si la atmósfera primitiva no hubiera estado saturada con gases de efecto invernadero.
Somos privilegiados porque tenemos agua en las condiciones necesarias para la diversidad química, la bioquímica y la vida. Si hay vida en otras partes del sistema solar o del universo, podemos definir el rango de temperatura en el que se encontrará: cerca del rango entre 0 y 100 ºC, es decir, entre las temperaturas de congelación y evaporación del agua, dependiendo de la presión.
La atmósfera de Venus continúa saturada con enormes cantidades de dióxido de carbono, y su temperatura superficial podría derretir el plomo. Marte es demasiado pequeño y perdió sus gases de efecto invernadero, pero en el pasado tenía agua líquida y pudo albergar vida, mientras que ahora el agua superficial sólo se encuentra en forma de hielo, principalmente en sus polos.
Hasta hace poco se aceptaba comúnmente que la alta temperatura presente durante la formación de la Tierra habría evitado la acumulación de agua. Toda el agua habría llegado más tarde, una vez que el planeta se enfrió, en cometas y meteoritos. Sin embargo, la evidencia más reciente sugiere que la mayor parte del agua estaba en los materiales que formaron nuestro planeta, en parte como hidrógeno que se combinó con oxígeno más tarde (1). El silicato de circonio es posiblemente el mineral más antiguo conocido (2), y sirve como una cápsula del tiempo que permite el análisis de los estados geológicos del planeta. Los cristales de circonio, de 4.400 millones de años, sugieren que la Tierra, desde muy temprano, fue un mundo relativamente estable, y la superficie estaba ocupada principalmente por agua (3).
Debido al calor generado después de la colisión de la proto-Tierra con el planeta primitivo Tea, que formó la Luna a partir de material lanzado al espacio, la mayor parte del agua debería haber estado en forma de vapor de agua atmosférico. Cuando el agua se enfrió, en forma líquida, pudo comenzar a penetrar en el interior de la Tierra, dónde aún debería estar presente (4). El primer océano podría haber contenido hasta tres o cuatro veces más agua de la que existe en los mares actuales, de modo que sólo las cimas de algunos volcanes podrían haber superado la superficie del agua, hasta hace al menos 3.500 millones de años (4). Los continentes pueden haber comenzado a surgir hace 3.300 a 2.500 millones de años (5). También se ha encontrado agua en la Luna. El origen del agua lunar está en debate, pero puede ser muy útil para futuras exploraciones (6).
La presencia de agua se ha observado en los cometas, incluso más allá de nuestro sistema solar. El cometa 2I/Borisov, proveniente del espacio interestelar, también parece transportar agua que se formó en otras partes del universo (7). El agua líquida también puede estar presente en otros sistemas solares, como el planeta K2-18b, con el doble del tamaño de la Tierra. Este mundo, a 110 años luz de nosotros, se encuentra en la zona posiblemente habitable de su sistema y muestra signos de nubes y lluvia (8).
References / Referencias:
1. Laurette Piani et al. Earth’s water may have been inherited from material similar to enstatite chondrite meteorites. Science28 Aug 2020: Vol. 369, Issue 6507, pp. 1110-1113. DOI: 10.1126/science.aba1948.
2. Cypress Hansen. Keeping time with zircons. https://knowablemag.org/article/physical-world/2021/keeping-time-zircons. Accessed on July 7, 2021.
3. Brian Greene. Until the End of Time: Mind, Matter and our Search for Meaning in an Evolving Universe. Alfred A. Knopf, New York, 2020.
4. Peter Ward and Joseph Kirschvink. A new history of life: The radical new discoveries about the origins and evolution of life on earth. Bloomsbury Publishing, London, 2015; Gu, T., Pamato, M.G., Novella, D. et al. Hydrous peridotitic fragments of Earth’s mantle 660 km discontinuity sampled by a diamond. Nat. Geosci. (2022). https://doi.org/10.1038/s41561-022-01024-y.
5. Priyadarshi Chowdhury et al. Magmatic thickening of crust in non-plate tectonic settings initiated the subaerial rise of Earth’s first continents 3.3 to 3.2 billion years ago. PNAS November 16, 2021 118 (46) e2105746118; https://doi.org/10.1073/pnas.2105746118.
6. Honniball, C.I., Lucey, P.G., Li, S. et al. Molecular water detected on the sunlit Moon by SOFIA. Nat Astron 5, 121–127 (2021). https://doi.org/10.1038/s41550-020-01222-x.
Adam J. McKay et al. Detection of a Water Tracer in Interstellar Comet 2I/Borisov.
7. Adam J. McKay et al. Detection of a Water Tracer in Interstellar Comet 2I/Borisov. ApJL 889 L10, 2020. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab64ed.
8. Tsiaras, A., Waldmann, I.P., Tinetti, G. et al. Water vapour in the atmosphere of the habitable-zone eight-Earth-mass planet K2-18 b. Nat Astron 3, 1086–1091 (2019). https://doi.org/10.1038/s41550-019-0878-9.
Image / Imagen: Juan I. Jorquera, Maldives.
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