La Terra è unica tra i pianeti conosciuti per la presenza di oceani di acqua liquida sulla sua superficie. Per lungo tempo si è ritenuto che l'acqua terrestre non avesse avuto origine nella regione del disco protoplanetario in cui si formò il pianeta. Si ipotizzava invece che l'acqua e altre sostanze volatili fossero state trasportate sulla Terra dal Sistema Solare esterno in una fase successiva della sua storia. Ricerche più recenti indicano tuttavia che l'idrogeno presente all'interno della Terra abbia svolto un ruolo nella formazione degli oceani. Le due ipotesi non sono necessariamente in contrasto, poiché esistono anche prove del fatto che parte dell'acqua sia stata apportata da impatti di planetesimi ghiacciati, con una composizione simile a quella degli asteroidi situati nelle regioni più esterne della fascia principale.
L'acqua liquida, indispensabile per tutte le forme di vita conosciute, continua a esistere sulla superficie terrestre poiché il pianeta si trova a una distanza dal Sole, all'interno della zona abitabile, che consente all'acqua di permanere allo stato liquido senza congelare.
Storia dell'acqua sulla Terra
Uno dei fattori da considerare per stimare quando l'acqua comparve sulla Terra è il fatto che essa continua tuttora a disperdersi nello spazio. Le molecole di H₂O presenti nell'atmosfera vengono scisse dalla fotolisi e gli atomi di idrogeno così liberati possono, in alcuni casi, sfuggire all'attrazione gravitazionale terrestre. Quando la Terra era più giovane e meno massiccia, questa perdita di acqua nello spazio avveniva con maggiore facilità. Gli elementi più leggeri, come idrogeno ed elio, sono destinati a fuoriuscire continuamente dall'atmosfera; tuttavia, i rapporti isotopici dei gas nobili più pesanti presenti nell'atmosfera attuale indicano che anche tali elementi subirono perdite significative durante le prime fasi della storia terrestre. In particolare, lo xeno è utile per stimare la quantità di acqua perduta nel tempo. Essendo un gas nobile, non viene rimosso dall'atmosfera attraverso reazioni chimiche con altri elementi; inoltre, il confronto tra l'abbondanza dei suoi nove isotopi stabili nell'atmosfera odierna suggerisce che, nelle prime fasi della sua evoluzione, la Terra perse una quantità d'acqua approssimativamente equivalente al volume degli oceani attuali. Questo fenomeno si sarebbe verificato tra gli eoni Adeano e Archeano, probabilmente durante eventi catastrofici quali l'impatto che portò alla formazione della Luna.
L'eventuale acqua presente sulla Terra durante le ultime fasi dell'accrezione del pianeta sarebbe stata profondamente alterata dall'impatto che diede origine alla Luna (circa 4,5 miliardi di anni fa), il quale probabilmente vaporizzò gran parte della crosta e del mantello superiore terrestre, formando attorno al giovane pianeta un'atmosfera composta da vapore di roccia. Il vapore roccioso si condensò nell'arco di circa duemila anni, lasciando nell'atmosfera sostanze volatili ad alta temperatura che diedero probabilmente origine a un'atmosfera costituita prevalentemente da anidride carbonica, con presenza di idrogeno e vapore acqueo. In seguito, nonostante una temperatura superficiale di circa 230 °C (446 °F), potrebbero essersi formati oceani di acqua liquida grazie all'elevata pressione atmosferica esercitata dall'atmosfera ricca di CO₂. Con il progressivo raffreddamento del pianeta, la maggior parte dell'anidride carbonica fu rimossa dall'atmosfera attraverso i processi di subduzione e di dissoluzione nelle acque oceaniche. Tuttavia, la concentrazione di CO₂ subì forti oscillazioni con l'instaurarsi di nuovi cicli geologici che coinvolgevano la superficie terrestre e il mantello.
Anche le evidenze geologiche contribuiscono a delimitare il periodo in cui l'acqua liquida era presente sulla Terra. Un campione di basalto a cuscino (una roccia formatasi durante un'eruzione sottomarina) recuperato nella cintura di rocce verdi di Isua costituisce una prova della presenza di acqua sulla Terra già 3,8 miliardi di anni fa. Nella cintura di rocce verdi di Nuvvuagittuq, nel Québec (Canada), rocce datate a 3,8 miliardi di anni secondo uno studio e a 4,28 miliardi di anni secondo un altro mostrano tracce della presenza di acqua già in quei periodi. Se gli oceani fossero esistiti in epoche ancora precedenti, non sono tuttavia state finora rinvenute prove geologiche, probabilmente perché eventuali testimonianze sono state distrutte dai processi geologici, come il riciclo crostale. Più recentemente, nell'agosto 2020, alcuni ricercatori hanno ipotizzato che una quantità d'acqua sufficiente a riempire gli oceani possa essere sempre stata presente sulla Terra fin dall'inizio della formazione del pianeta.
A differenza delle rocce, i minerali appartenenti al gruppo degli zirconi sono estremamente resistenti agli agenti atmosferici e ai processi geologici; per questo motivo vengono utilizzati per ricostruire le condizioni della Terra primordiale. Le evidenze mineralogiche ricavate dagli zirconi indicano che acqua liquida e un'atmosfera dovevano essere già presenti 4,404 ± 0,008 miliardi di anni fa, cioè pochissimo tempo dopo la formazione della Terra. Questa conclusione pone un apparente paradosso rispetto all'ipotesi della Terra primordiale fredda, secondo la quale le temperature sarebbero state sufficientemente basse da mantenere l'acqua allo stato solido tra circa 4,4 e 4,0 miliardi di anni fa. Ulteriori studi sugli zirconi rinvenuti nelle rocce adeane dell'Australia indicano inoltre che la tettonica a placche fosse già attiva circa 4 miliardi di anni fa. Se tale ipotesi fosse corretta, la superficie della Terra primordiale, almeno dal punto di vista dell'isolamento termico, sarebbe stata molto più simile a quella attuale, piuttosto che caratterizzata da una superficie completamente fusa e da un'atmosfera ricca di anidride carbonica. L'attività della tettonica a placche intrappola infatti enormi quantità di CO₂ all'interno della Terra, riducendo l'effetto serra e favorendo temperature superficiali molto più basse, nonché la formazione di rocce solide e di acqua allo stato liquido.
Inventario dell'acqua terrestre
Sebbene la maggior parte della superficie terrestre sia ricoperta dagli oceani, questi rappresentano soltanto una piccola frazione della massa complessiva del pianeta. La massa degli oceani terrestri è stimata in 1,37 × 10²¹ kg, pari a circa lo 0,023% della massa totale della Terra (6,0 × 10²⁴ kg). Si stima inoltre che ulteriori 5,0 × 10²⁰ kg di acqua siano contenuti nei ghiacci, nei laghi, nei fiumi, nelle acque sotterranee e nel vapore acqueo atmosferico. Una quantità considerevole di acqua è immagazzinata anche nella crosta, nel mantello e nel nucleo terrestre. A differenza dell'acqua molecolare (H₂O) presente in superficie, l'acqua all'interno della Terra si trova principalmente sotto forma di minerali idrati oppure come tracce di idrogeno legato agli atomi di ossigeno nei minerali anidri. I silicati idrati presenti in superficie trasportano acqua nel mantello lungo i margini convergenti delle placche tettoniche, dove la crosta oceanica sprofonda al di sotto di quella continentale attraverso il processo di subduzione. Sebbene sia difficile stimare il contenuto totale di acqua del mantello a causa della limitata disponibilità di campioni, si ritiene che esso possa contenere una quantità d'acqua pari a circa tre volte la massa degli oceani terrestri. Analogamente, il nucleo terrestre potrebbe contenere una quantità di idrogeno equivalente a quella presente in quattro o cinque oceani.
Pur non essendo considerati una delle principali fonti di acqua del pianeta, è opportuno ricordare che i processi biologici, quali la fotosintesi e la respirazione, svolgono un ruolo fondamentale nel ciclo idrologico terrestre. Tali processi potrebbero aver avuto un'importanza ancora maggiore sulla Terra primordiale e, di conseguenza, influenzare la quantità di acqua disponibile in un determinato luogo e in un determinato momento. Ciò è dovuto al fatto che uno di questi processi consuma acqua, mentre l'altro la produce; è quindi il bilancio tra i due a determinarne l'effetto complessivo. Se la fotosintesi avvenisse a un ritmo superiore rispetto alla respirazione, la quantità totale di acqua presente sulla Terra diminuirebbe; viceversa, se la respirazione prevalesse sulla fotosintesi, l'inventario idrico terrestre aumenterebbe.
Ipotesi sull'origine dell'acqua terrestre Origine endogena
Nel 2025, alcuni studiosi hanno proposto che sulla Terra primordiale potesse essere esistito un oceano di magma arricchito di idrogeno, a temperature superiori ai 4000 K.Miozzi, Francesca; Shahar, Anat; Young, Edward D.; Wang, Jianhua; Steele, Andrew; Borensztajn, Stephan; Vitale, Suzy M.; Bullock, Emma S.; Wehr, Nicolas; Badro, James. Nature. 648 551-555 (30 Oct 2025) "Experiments reveal extreme water generation during planet formation" Gli esperimenti condotti dagli stessi studiosi hanno mostrato che grandi quantità di idrogeno possono dissolversi in un magma fuso a circa 4000 K, con una dipendenza relativamente ridotta dalla pressione, nell'intervallo compreso tra 16 e 60 GPa. Inoltre, la riduzione dell'ossido di ferro da parte dell'idrogeno porta alla formazione di notevoli quantità di acqua, accompagnata dalla produzione di goccioline di ferro metallico.
Origine esoplanetaria
L'acqua possiede una temperatura di condensazione molto più bassa rispetto agli altri materiali che costituiscono i pianeti terrestri del Sistema Solare, come il ferro e i silicati. Nelle prime fasi della storia del Sistema Solare, la regione del disco protoplanetario più vicina al Sole era estremamente calda, con temperature comprese tra 500 e 1.500 K (circa 200–1.200 °C); di conseguenza, è improbabile che gli oceani d'acqua abbiano potuto condensarsi contemporaneamente alla formazione della Terra. A distanze maggiori dal giovane Sole, dove le temperature erano inferiori, l'acqua poteva invece condensare e formare planetesimi ghiacciati, che si accumularono fino a costituire la nube di Oort. Il limite della regione del Sistema Solare primordiale oltre il quale il ghiaccio poteva formarsi è noto come limite della neve (frost line o snow line) ed è situato, nell'attuale Sistema Solare, all'interno della fascia principale degli asteroidi, tra circa 2,7 e 3,1 unità astronomiche (UA) dal Sole. Ne consegue che l'acqua terrestre sarebbe stata trasportata da corpi formatisi oltre la linea del gelo, quali comete, oggetti transnettuniani e meteoroidi ricchi d'acqua (protopianeti). Tuttavia, il momento in cui questo apporto sarebbe avvenuto è ancora oggetto di dibattito.
Una delle ipotesi sostiene che la Terra abbia accresciuto gradualmente la propria massa incorporando planetesimi ghiacciati circa 4,5 miliardi di anni fa, quando aveva raggiunto tra il 60% e il 90% delle sue dimensioni attuali. In questo scenario, il pianeta sarebbe riuscito a trattenere parte dell'acqua durante tutto il processo di accrescimento e anche durante i principali eventi d'impatto. Questa ipotesi è supportata dalle somiglianze nell'abbondanza e nei rapporti isotopici dell'acqua tra le più antiche condriti carbonacee conosciute e i meteoriti provenienti da Vesta, entrambi originari della fascia principale del Sistema Solare.Andrew Fazekas, Mystery of Earth's Water Origin Solved, Nationalgeographic.com, 30 October 2014 Ulteriori conferme derivano dagli studi sui rapporti isotopici dell'osmio, che suggeriscono come una quantità significativa di acqua fosse già presente nel materiale incorporato dalla Terra durante le prime fasi della sua formazione. Anche le analisi della composizione chimica dei campioni lunari raccolti dalle missioni Apollo 15 e Apollo 17 rafforzano questa interpretazione, indicando che l'acqua era già presente sulla Terra prima della formazione della Luna.