Астрономы выяснили, как растущая Земля могла создать собственную воду

Фото из открытых источников

Происхождение воды на Земле — один из основополагающих вопросов, объясняющих обитаемость нашей планеты. Идея о том, что вода была доставлена кометами и астероидами, давно занимает умы планетологов. Известно, что оба типа тел, и особенно кометы, содержат воду, и оба типа, как известно, в большом количестве сталкивались с Землей в ранние периоды ее существования.

Но также растет понимание того, что каменистые планеты формируются с первородной оболочкой, богатой водородом и гелием, которые они получают из своих солнечных туманностей. Поскольку вода — это, очевидно, H2O, то Земля родилась со значительным количеством водорода, и все, что требовалось, — это кислород. Нужно ли было каким-то образом доставить его на Землю?

Отчасти, но не совсем, и новое исследование объясняет почему. Оно называется «Сухой галечный дождь мог доставить воду на Землю посредством восстановления водорода в оксиде железа» и опубликовано в журнале Nature Geoscience. Ведущими авторами являются Сусмита Гарай и Закари Шарп из Университета Нью-Мексико.

«Глядя на огромный водоём, трудно представить, что эта вода могла образоваться 4,5 миллиарда лет назад в атмосфере, подобной аду, но это вполне могло быть так», — говорит Закари Шарп.

«Вода жизненно необходима для обитаемости планет. Однако источники воды для планет земной группы и сроки её доставки остаются предметом споров», — пишут авторы. Существуют временные ограничения относительно того, как эта вода могла быть доставлена кометами и астероидами. Необходимо учитывать гигантское столкновение, в результате которого образовалась Луна, позднюю интенсивную бомбардировку и обилие определённых элементов в мантии Земли. Трудно вписать доставку воды кометами и астероидами в эти рамки.

Если бы вода на Земле не поступала из внешнего источника, а образовывалась локально, то эти ограничения были бы исключены. «Здесь мы экспериментально показываем, как океаны воды могут образовываться в высокотемпературной атмосфере, богатой водородом, над планетой земной группы, за счет захвата силикатных камешков размером от миллиметра до сантиметра», — пишут авторы.

«Предыдущие представления об источнике воды на Земле основывались на предположении о внешнем источнике, таком как кометы или метеориты. Здесь мы показываем, что практически на любой планете размером с Землю должна быть вода благодаря этому недавно обнаруженному механизму», — поясняет Шарп. «Чтобы оценить возможность того, что «гальчатый дождь» может быть источником воды, нам потребовалось разработать и провести несколько очень сложных экспериментов при высоких температурах. Усилия доктора Гарай принесли огромные плоды, поскольку она обнаружила, что вода образуется всего за несколько минут в высокотемпературной среде атмосферы ранней Земли».

Когда масса протопланеты превышает примерно 0,3 массы Земли, хондры и камешки медленно падают сквозь атмосферу. В течение нескольких часов или даже дней эти камешки находятся выше точки плавления и подвергаются интенсивному восстановлению FeO. Это удаляет кислород и высвобождает его в атмосферу, образуя воду и оставляя металлическое железо. Для этого необходим мощный восстановитель при высоких температурах, и в данном случае это нагретый водород в атмосфере.

«Гравитационная потенциальная энергия, высвобождаемая при падении гальки, напрямую нагревает атмосферу, что приводит к резкому температурному градиенту в атмосфере и, для крупных планет, к очень высоким температурам на поверхности». Эти температуры могут превышать 3000 К (1650 °C), а давление — 200 бар (~197 бар на уровне моря). Магматический океан также нагревает всё снизу.

«В совокупности эти процессы приводят к выпадению расплавленных камешков на поверхность протопланеты, потере летучих веществ из камешков в атмосфере и поглощению водорода, гелия и других летучих веществ магматическим океаном», — пишут исследователи.

Это рисует драматическую картину, непохожую ни на что, что когда-либо видел человек. В её центре — очень молодая Земля в фазе магматического океана. Это шар расплавленной породы, к которому прилипла атмосфера, совершенно не похожая на современную. Сквозь эту атмосферу падает дождь из расплавленных камешков — материала, сконденсировавшегося из солнечной туманности, притягиваемого увеличивающейся массой Земли и аккрецирующегося на адскую поверхность планеты.

Исследователи проверили этот сценарий, проведя ряд высокотемпературных лабораторных экспериментов, максимально приближенных к адским условиям гадейского эона Земли. «Чтобы количественно оценить объемы и кинетику восстановления железа в гальке, оседающей в туманной атмосфере, мы провели серию экспериментов, в которых мафические и ультрамафические силикаты плавились в потоках газов He и H2», — объясняют авторы. Мафические и ультрамафические — это две основные категории магматических пород, обе богатые железом и магнием.

Исследователи нагревали образцы силикатных пород до температуры от 1200 до 1400 градусов Цельсия в потоках водорода, а также отдельно в потоках гелия. Эксперименты длились от 15 минут до трех часов. Условия имитировали период формирования Земли, когда она была достаточно массивной, чтобы притягивать дождь из гальки, и достаточно массивной, чтобы иметь богатую водородом атмосферу, перегретую и находящуюся под высоким давлением. Движущиеся потоки водорода и гелия имитировали движение гальки в этой атмосфере.

Результаты показали, что в водороде почти 80% оксида железа превратилось в металлическое железо, в результате чего образовался водяной пар. В гелии подобной реакции не произошло.

Эффективность восстановления зависит от доли металла в гальке, которую рассчитали исследователи. «Частичное восстановление FeO в гальке при такой эффективности дает огромное количество воды», — пишут они. «При максимальной эффективности из состава А образуется несколько сотен океанических масс воды, а из состава В — десятки океанических масс». Составы А и В взяты из предыдущих исследований.

«Мы подозревали и надеялись, что в наших экспериментах по восстановлению получим металлическое железо и воду, но у нас не было возможности узнать, как быстро и в каком количестве. Мы были весьма удивлены, обнаружив, что экстраполяция нашей работы предполагает, что таким образом, вероятно, образовалось количество воды, эквивалентное сотням океанов. Глядя на огромный водоем, трудно представить, что эта вода могла образоваться 4,5 миллиарда лет назад в атмосфере, подобной аду, но это вполне могло быть так», — объясняет Шарп.

Идея о том, что вода на Земле попала туда из комет и астероидов, всегда была несколько шаткой, хотя и весьма убедительной. Данное исследование показывает другой способ, которым Земля могла получить свою животворящую воду. Результаты могут также распространяться на другие миры вокруг других звезд и даже на нашего соседа Марс.

«Идея аккреции гальки относительно нова. Она существует всего лишь последнее десятилетие. Но, похоже, она решает многие проблемы, существующие в рамках парадигмы формирования планет», — говорит Шарп. «И теперь мы видим, что она также может объяснить, почему наша планета обитаема. Следовательно, разумно ожидать, что другие тела размером с Землю, вращающиеся вокруг других звезд, также будут иметь воду и, возможно, жизнь».

Эта работа является предварительным доказательством возможности существования базового механизма. Но что касается того, какая часть воды на Земле образовалась именно таким образом, это требует дальнейших исследований. «Чистое увеличение количества воды сильно зависит от количества образовавшейся воды, извлеченной в результате выброса в туманность», — пишут исследователи. «Хотя последующая потеря воды в результате атмосферного испарения возможна, вода, образовавшаяся во время каменного дождя, представляет собой ранний и фундаментальный шаг в эволюции обитаемой планеты».

Вполне возможно, например, что свою роль сыграли и другие процессы, и даже что кометы и астероиды доставили на нашу планету часть воды.

Источники воды на Земле останутся предметом постоянных исследований. Со временем картина прояснится.