Согласно новым исследованиям, вода на Земле могла возникнуть как из астероидного материала, так и из газа, оставшегося от образования Солнца. Новое исследование может дать ученым важные сведения о развитии других планет и об их потенциале для поддержания жизни.
Многие ученые исторически поддерживали теорию о том, что всю воду на Землю занесли падающие на нее астероиды на заре существования Солнечной системы из-за сходства между океанической водой и водой, найденной на астероидах. Отношение дейтерия, более тяжелого изотопа водорода, к нормальному водороду служит уникальной химической сигнатурой водных источников. В случае океанов Земли соотношение дейтерия и водорода близко к тому, что встречается в астероидах.
Художественное изображение бомбардировки ранней Земли астероидами.
Но, по мнению авторов исследования, океан не может рассказать всю историю происхождения водорода на Земле. «Это некоторое «слепое пятно» в научном сообществе», — сказал Стивен Деш, профессор астрофизики в Школе изучения Земли и космоса в Университете штата Аризона в Темпе, штат Аризона, и соавтор нового исследования. «Когда люди измеряют соотношение [дейтерия к водороду] в океанической воде, и они видят, что оно довольно близко к тому, что мы видим в астероидах, всегда было легко поверить, что все это происходит от астероидов».
Более поздние исследования показывают, что водород в океанах Земли не отражает свойств водорода на всей планете, говорят авторы исследования. Образцы водорода из глубин Земли, вблизи границы между ядром и мантией, имеют заметно меньше дейтерия, что указывает на то, что этот водород, возможно, появился не из астероидов. Инертные газы гелий и неон, с изотопными сигнатурами, унаследованными от Солнечной туманности, также были найдены в мантии Земли.
В новом исследовании ученые разработали новую теоретическую модель образования Земли, чтобы объяснить эти различия между водородом в океанах Земли и на границе ядро-мантия, а также наличие инертных газов глубоко внутри планеты.
Моделирование образования Земли
Согласно их новой модели, несколько миллиардов лет назад большие ледяные астероиды начали развиваться в планеты, в то время как солнечная туманность все еще кружилась вокруг Солнца. Эти астероиды, известные как планетарные эмбрионы, сталкивались и быстро росли. В конце концов, столкновения внесли достаточно энергии, чтобы превратить поверхность самого большого эмбриона в океан магмы. Этот самый большой эмбрион в конечном итоге и стал Землей.
Художественное изображение Солнечной туманности.
Газы из солнечной туманности, включая водород и инертные газы, были притянуты к большому покрытому магмой эмбриону Земли, чтобы сформировать раннюю атмосферу. Небулярный (то есть оставшийся от туманности — прим.перев.) водород, который содержит меньше дейтерия и легче астероидного водорода, растворяется в расплавленном железе в океане магмы.
Через процесс, называемый изотопным фракционированием, водород стягивался к центру молодой Земли. Водород, который реагирует с железом, доставлялся в ядро этим металлом, в то время как большая часть более тяжелого изотопа, дейтерия, оставалась в магме, которая в конечном итоге охладилась и стала мантией. Столкновение Земли с более мелкими планетарными эмбрионами и другими объектами в будущем продолжило добавлять воду и общую массу, пока Земля не достигла своего нынешнего размера. Эта новая модель объясняет, откуда взялись инертные газы глубоко в мантии Земли и более низкое отношением дейтерия к водороду в ее ядре, чем в ее мантии и океанах.
Авторы использовали модель, чтобы оценить, сколько водорода поступило из каждого источника. Они пришли к выводу, что большая его часть имеет астероидное происхождение, но часть воды Земля получила из солнечной туманности. «На каждые 100 молекул воды на Земле приходится одна или две молекулы, поступившие из солнечной туманности», — сказал Цзюнь Ву, доцент Школы молекулярных наук и ведущий автор исследования.
Проницательная модель
Звездная система TRAPPIST, где как минимум на трех планетах может существовать вода в жидком виде.
Авторы исследования также предлагают ученым новые перспективы развития других планет и их потенциала для поддержания жизни. Планеты земного типа в других звездных системах могут не иметь доступа к астероидам, включающим в себя лед. Новое исследование предполагает, что эти экзопланеты могли бы получить воду из звездной туманности своей системы.
«Эта модель предполагает, что неизбежное образование воды, вероятно, произойдет на любых достаточно больших каменистых экзопланетах во внесолнечных системах», — сказал Ву. «Я думаю, это очень интересно».
Анаф Шахар, геохимик из Института Карнеги, который не участвовал в исследовании, отметил, что фактор фракционирования водорода, который описывает, как изменяется отношение дейтерия к водороду, когда последний растворяется в железе, в настоящее время неизвестен и трудноизмерим. Для нового исследования необходимо было оценить это свойство водорода. По словам Шахара, новая модель, которая хорошо вписывается в текущие исследования, может быть протестирована, как только эксперименты выявят фактор фракционирования водорода.
«Эта статья является очень творческой альтернативой старой проблеме», — сказал Шахар. «Авторы неплохо оценили, какими могут быть разные факторы фракционирования, не проводя экспериментов».
