AJL: вода на Земле была изначально, доставка не требовалась

Земля – единственная из известных планет, на поверхности которой находятся обширные океаны, а её суша изобилует озёрами и обширными речными системами. Вода – это источник жизненной силы биосферы, и без неё Земля была бы просто ещё одним мёртвым миром. Если земная жизнь – надёжный индикатор, то вода необходима для жизни, и точка. Вот почему ученых так интересует, как на Земле появилась вода.

Долгое время исследователи рассматривали идею о том, что вода на Землю пришла из других мест Солнечной системы. Протопланетный диск, в котором сформировались планеты, был огромным и был рассечён снеговой линией. Это линия в диске, определяемая его расстоянием от Солнца, за пределами которой летучие вещества, такие как водяной пар, могут конденсироваться.

Идея заключается в том, что вода может конденсироваться, замерзать, а затем попадать на Землю с астероидами, метеоритами или кометами. Астрономы знают, что кометы — это ледяные тела, и появляется всё больше доказательств того, что астероиды содержат воду, либо в замороженном виде, либо в виде минералов. Это «гипотеза позднего слоя», которая утверждает, что вода попала на Землю после того, как её ядро уже сформировалось.

Однако всё больше данных и результатов моделирования показывают, что эта картина может быть неверной. Новое исследование, опубликованное в The Astrophysical Journal Letters, ставит под сомнение более позднюю гипотезу о «фанере», показывая, что снеговая линия может неточно отражать реальность. Вместо единой линии, разделяющей сублимацию воды как процесс включения/выключения, где вся вода сублимируется по одну сторону от снеговой линии и ничего не сублимируется по другую, реальность более многогранна.

Тема исследования: «Была ли вода на Земле приобретена локально на самых ранних этапах формирования Солнечной системы?» Ведущий автор — Лиз Буатар-Крепо из Университета Гренобль-Альпы во Франции.

«Существует консенсус относительно того, что молекулярная вода в основном формировалась на микрометровых пылинках в самом начале формирования Солнечной системы, в молекулярном облаке и дозвёздной фазе, где она оставалась замороженной на ледяной мантии, окутывающей эти пылинки», — объясняют исследователи. Со временем эти пылинки образовали горные породы, астероиды, кометы и даже каменистые планеты. Но с появлением Солнца условия изменились. Материал в протосолнечном туманном диске нагрелся, и вода сублимировалась с поверхности пылинок внутрь, к снеговой линии, которая, по сути, является фронтом конденсации воды.

В результате условия внутри этой линии изменились. Вся вода, не попавшая внутрь более крупных тел, рассеялась, и внутренний диск стал истощённым. Именно здесь образовались каменистые планеты. Земля образовалась из этого сухого материала, что подразумевает, что вода должна была поступать из-за линии снегов, и это гипотеза позднего слоя.

Однако в этом новом понимании эта граница становится более размытой. Исследование основано на достижениях квантовой химии, показывающих, что не существует единой температуры, при которой вода связывается с частицами пыли. Вместо бинарной разделительной линии энергии связи подчиняются гауссовому распределению значений.

«В то время как классическая снеговая линия основана на одной температуре конденсации, недавние исследования в области квантовой химии показывают, что энергия связи (ЭС) воды на ледяных частицах имеет гауссово распределение, что подразумевает постепенную сублимацию воды, а не резкий переход», — пишут авторы. Исследователи рассчитали распределение энергий связи, чтобы понять, как водяной лёд на пылевых частицах распределялся по протопланетному диску протосолнечной туманности (ПСН).

Используя распределение различных энергий связи воды, исследователи установили линию замерзания, ширина которой составляет несколько астрономических единиц. «Принятие распределения BE воды не приводит к образованию единой снеговой линии, внутри которой водяной лёд полностью десорбируется и остаётся „совершенно сухим“, как часто предполагается, а скорее к переходной зоне воды, простирающейся на несколько астрономических единиц», — пишут исследователи.

Всё это произошло очень давно, и, помимо самой Земли, единственное место, где мы можем искать доказательства, — это астероиды и метеориты. Чтобы работа исследователей была точной, необходимо воспроизвести содержание воды на Земле, соотношение изотопов и закономерности гидратации, наблюдаемые в метеоритах. Хондриты могут оставаться неизменными с первых дней существования Солнечной системы и служат важным доказательным связующим звеном с далёким прошлым.

Исследование показывает, что, хотя основная часть водяного льда десорбируется на расстоянии, превышающем одну астрономическую единицу, небольшая его часть остаётся прикреплённой к пылинкам внутри этой границы из-за разницы в энергии связи. «Эта небольшая доля, примерно от 0,04 до 2,5% по массе, может полностью объяснить содержание воды на Земле», — пишут авторы. «В свою очередь, земная вода могла быть в основном унаследована от пылинок, находившихся на орбите Земли, без необходимости миграции внешних частиц».

Итак, обилие воды на Земле согласуется с результатами исследователей. Но что насчёт хондритов?

«Наша модель также успешно воспроизводит наблюдаемую тенденцию в содержании воды в разных группах хондритов», — пишут авторы. Несмотря на то, что родительские тела этих хондритов аккрецировались в разное время, их содержание воды, «вероятно, представляет собой нижние пределы первичной воды, изначально включённой в силикатные пылинки, строительные блоки хондритовых матриц», — поясняют они.

«Подводя итог вышеизложенному, можно предположить, что земная вода, возможно, была унаследована от ледяных зёрен на орбите Земли, то есть локально», — пишут авторы. Их результаты также согласуются с идеей о том, что энстатитовые хондриты (ЭХ), редкая форма метеоритов, являются строительными блоками Земли. ЭХ имеют сопоставимый изотопный состав с земной водой, и исследователи полагают, что они образовались вблизи орбиты Земли.

Вопрос о времени формирования гипотезы позднего слоя всегда был сложным. Как можно было доставить на Землю необходимое количество воды в нужное время, не нарушив процесс аккреции планет? Если Земля постепенно насыщалась водой по мере своего формирования, этот вопрос можно обойти стороной.

В выводах исследователей всё ещё есть некоторые проблемы, и они указывают на них в своей статье. Например, измеренное в настоящее время соотношение тяжёлой воды (дейтерия) и обычной воды на Земле эквивалентно соотношению элементов. Однако измеренное в настоящее время соотношение может не отражать фактическое соотношение элементов из-за «различных процессов, обеспечивающих круговорот воды между поверхностью и недрами Земли», объясняют авторы. Эти процессы могли изменить это соотношение.

Исследователи показали, что водяной лёд не обязательно сублимируется вдоль чётко определённой линии. Напротив, диапазон энергий связи означает, что даже внутри общепринятой снеговой линии некоторое количество воды может сохраняться внутри горных пород и более крупных зёрен. Они также показали, что количество воды, способное сохраняться, достаточно для обеспечения водой Земли.

«Подводя итог, эти результаты свидетельствуют о том, что значительная доля воды на Земле могла иметь локальное происхождение, не требуя доставки из-за классической снеговой линии», — заключают авторы.

Это не будет концом гипотезы позднего слоя, но если дальнейшие исследования подтвердят эти выводы, то идея о том, что вода на Землю попала извне и была занесена кометами и астероидами, пошатнется.