У нас есть кометы и астероиды, чтобы благодарить за воду Земли, согласно наиболее широко распространенной теории среди ученых. Но это не так просто. Это все еще немного загадка, и новое исследование предполагает, что не вся вода Земли доставлялась на нашу планету таким образом.
Водород - самый распространенный элемент во вселенной, и он находится в центре вопроса, окружающего воду Земли. Это новое исследование было проведено под руководством Питера Бузека, профессора Риджентс в Школе исследования Земли и космоса и Школе молекулярных наук в Университете штата Аризона. В нем авторы предполагают, что водород произошел, по крайней мере частично, из солнечной туманности, облака газа и пыли, оставшегося после образования Солнца.
Прежде чем мы углубимся в детали этого нового исследования, полезно взглянуть на давнюю теорию, которую она может заменить.
В течение долгого времени большинство ученых полагали, что версия воды от комет и астероидов происхождения воды здесь на Земле. Все начинается с формирования Солнца.
Когда Солнце образовалось из молекулярного облака, оно поглотило большую часть вещества в облаке, оставив немного остальное для всего остального: планет, астероидов и комет. Как только Солнце ожило с помощью слияния, мощный солнечный ветер послал много водорода из его внешних слоев за пределы того места, где сегодня находятся внутренние скалистые планеты - Меркурий, Венера, Земля и Марс.
Это царство газовых гигантов, а главное, комет и астероидов. Кометы - это ледяные, каменистые тела, которые, как считается, содержат значительное количество водорода, выдуваемого там ранним Солнцем, а также астероиды, хотя и в меньшей степени. Они стали значительным резервуаром для водорода.
Когда Земля сформировалась, это был расплавленный шар, его поверхность поддерживалась в этом состоянии путем многократного столкновения с астероидами. Пока все хорошо, поскольку ранняя Солнечная система была куда более хаотичным местом, чем сейчас. Когда астероиды и кометы ударили эту горячую Землю, вода и водород в ней испарились в космос. Поскольку Земля со временем остыла, воде от столкновений комет и астероидов было позволено конденсироваться на Земле, а не выпариваться в космос. Вода застряла вокруг.
Доказательством этого являются изотопные отношения. Отношение тяжелого изотопа водорода дейтерия к нормальному водороду является химической характеристикой. Мышление гласит, что два водоема с одинаковым соотношением должны иметь одинаковое происхождение. А океаны Земли имеют такое же соотношение, как вода на астероидах.
Это очень упрощенная версия широко распространенной теории о том, как вода попала на Землю.
Но ученые недовольны, всегда стараются лучше понять вещи. Они ставили под сомнение теорию «воды из комет» до того, как вышло это новейшее исследование.
Еще в 2014 году некоторые ученые изучали проблему, глядя на метеориты разных возрастов. (Метеориты - это просто астероиды, поразившие Землю.) Сначала они посмотрели на то, что известно как «углеродистые хондритовые метеориты». Они самые старые из известных нам, и они образовались примерно в то же время, что и Солнце. Они являются основными строительными блоками Земли.
Затем они изучили метеориты, которые, по нашему мнению, произошли от большого астероида Веста. Веста образовалась в том же регионе, что и Земля, примерно через 14 миллионов лет после рождения Солнечной системы. Согласно этому исследованию 2014 года, древние метеориты напоминали основной состав Солнечной системы, и в них много воды, поэтому они широко считаются источником земной воды.
Измерения в этом исследовании 2014 года показали, что эти метеориты имеют ту же химию, что и углеродистые хондриты и породы, найденные на Земле. Они пришли к выводу, что углеродистые хондриты являются наиболее вероятным источником воды. В то время Хорст Маршалл, один из авторов исследования, сказал: «Исследование показывает, что вода Земли, скорее всего, накапливается одновременно с камнем. Планета сформировалась как влажная планета с водой на поверхности ». Команда, которая стояла за этим исследованием, признала, что некоторые из наших вод были получены в результате воздействия.
Что подводит нас к этому новому исследованию, которое подкрепляет выводы исследования 2014 года.
Авторы этого нового исследования говорят, что океаны и их изотопные отношения могут не рассказать всю историю. «Это немного слепое пятно в сообществе», - сказал Стивен Деш, профессор астрофизики в Школе исследования Земли и космоса в Университете штата Аризона в Темпе, штат Аризона. «Когда люди измеряют соотношение [дейтерий-водород] в океанской воде и видят, что оно довольно близко к тому, что мы видим на астероидах, всегда было легко поверить, что все это произошло от астероидов». Их сложно винить; это довольно убедительное доказательство.
«Это немного слепое пятно в обществе». - Стивен Деш, Школа исследования Земли и Космоса, АГУ.
Деш и другие авторы этого нового исследования указывают на исследования, опубликованные в 2015 году, показывающие, что океаны Земли могут не быть репрезентативными для первичной воды Земли. Океаны могли вращаться между поверхностью и более глубоким резервуаром воды, глубоко в Земле. Это могло изменить отношение с течением времени, и это может означать, что эта более глубокая вода представляет собой, по крайней мере, часть истинной исконной воды Земли. И эта вода, возможно, пришла прямо из солнечной туманности, а не через кометы и астероиды.
Исследование развивает новую теоретическую модель формирования Земли, чтобы объяснить эти различия между водородом в земных океанах и на границе ядро-мантия.
На этой новой модели показаны большие астероиды с водяными знаками, образовавшиеся на планетах миллиарды лет назад в солнечной туманности, вращающейся вокруг Солнца. Эти планетарные эмбрионы пострадали от последовательного столкновения, и они быстро росли. В конце концов, говорят они, достаточно мощное столкновение растопило поверхность самого крупного зародыша в океане магмы. Этот самый большой зародыш стал Землей.
У этого большого зародыша было достаточно силы тяжести, чтобы удерживать атмосферу, и он притягивал газы, включая водород, самый распространенный, из солнечной туманности, чтобы сформировать ее. Водород в солнечной туманности содержал меньше дейтерия и был легче астероидного водорода. Он растворился в расплавленном железе магматического океана на Земле.
Водород вытягивался в центр Земли с помощью процесса, называемого изотопным фракционированием. Водород притягивается к железу и доставляется железом в ядро Земли. Дейтерий, тяжелый изотоп водорода, остался в магме, которая остыла, образовав мантию Земли. Продолжающиеся воздействия принесли больше воды и массы на Землю, пока она не достигла той массы, которой она является сегодня.
Ключевым моментом в этой новой модели является то, что водород в ядре Земли отличается от водорода в мантии и океанах. В основной воде гораздо меньше дейтерия. Но что все это значит?
Новая модель позволила авторам оценить количество воды, которая возникла в результате ударов астероидов по мере роста и развития Земли, по сравнению с тем, сколько воды поступило из солнечной туманности при формировании Земли. Их вывод? «На каждые 100 молекул воды Земли приходится одна или две из солнечной туманности», - сказал Джун Ву, доцент, профессор Школы молекулярных наук и Школы исследования Земли и космоса в Университете штата Аризона и соавтор статьи. изучение.
Это исследование представляет собой новый взгляд на формирование, развитие планет и на то, как ранняя жизнь может процветать на молодой планете.
«Эта модель предполагает, что неизбежное образование воды может произойти на любых достаточно больших скалистых экзопланетах во внесолнечных системах. Я думаю, что это очень интересно ». - Джун Ву, Школа молекулярных наук и Школа исследования Земли и космоса при АГУ, соавтор статьи.
Раньше мы думали, что единственными планетами, которые могли бы жить на них, должна была быть солнечная система, богатая водоносными астероидами и кометами. Но это может быть не так. В других солнечных системах не все планеты, подобные Земле, имеют доступ к астероидам, загруженным водой. Новое исследование предполагает, что любые обитаемые экзопланеты могли получать воду из солнечной туманности в своей системе. Земля скрывает большую часть своей воды в своем интерьере. Земля имеет примерно два океана в своей мантии и 4 или 5 в ее ядре. Экзопланеты могут быть похожими.
«Эта модель предполагает, что неизбежное образование воды, вероятно, произойдет на любых достаточно больших скалистых экзопланетах во внесолнечных системах», - сказал Ву. «Я думаю, что это очень интересно».
Однако в этой новой модели есть одно предостережение: фракционирование водорода. Непонятно, как меняется отношение дейтерия к водороду, когда элемент растворяется в железе, которое находится в центре этой новой модели. Это должно было быть оценено в этом новом исследовании.
В целом, новое исследование хорошо вписывается в другие исследования воды Земли. После того, как будет проделана дополнительная работа по фракционированию водорода, новая модель может быть проверена более строго.
- Пресс-релиз AGU: «Ученые теоретизируют новую историю происхождения воды Земли»
- Научно-исследовательская работа: «Происхождение воды Земли: хондритное наследование плюс образование туманности и накопление водорода в ядре»
- Научно-исследовательская работа: «Доказательства исконной воды в глубокой мантии Земли»
- Научная работа: «Раннее аккреция воды во внутренней солнечной системе из углеродистого хондритоподобного источника»
- Википедия: Формирование и эволюция Солнечной системы
- Википедия: 4 Веста
