Океаны не могли сформироваться сразу после образования Земли, поскольку тогда существовали слишком высокие температуры. Предлагавшиеся ранее гипотезы о доставке воды кометами оказались несостоятельными, поскольку изотопный состав земной воды отличается от состава комет. До недавнего времени происхождение воды, обеспечившей возникновение жизни на Земле, оставалось невыясненным?
Подобно другим планетам, Земля образовалась в результате столкновений и слияния небольших протопланетных образований, планетезималей. Столкновения, однако, сопровождались высвобождением колоссальных объемов энергии: падение небесного тела диаметром в десять километров может вызвать взрыв, эквивалентный 100 миллионам тонн тротила. В связи с этим, сразу после формирования планеты на ее поверхности наблюдались высокие температуры. Кроме того, близость земной орбиты к Солнцу препятствовала накоплению водяного льда на ее поверхности.
Всё это побудило многих исследователей к мысли, что воду на нашу планету доставили кометы или ледяные астероиды, возникшие на значительно большем удалении от Солнца и, следовательно, содержащие большое количество водяного льда. Тем не менее, концентрация дейтерия (тяжелого водорода) по сравнению с обычным, легким водородом на Земле существенно отличается от аналогичного показателя в астероидах и кометах. У некоторых из них (например, комета 103P/Хартли) наблюдается соотношение дейтерия и легкого водорода, близкое к земному, однако изотопный состав других элементов, таких как азот, все равно резко отличаются, подобное количество подобных тел не могло упасть на Землю, поэтому это не может объяснить происхождение земных океанов.
Раньше некоторые ученые предлагали альтернативную гипотезу: вода могла быть заключена в гидратированных минералах, находящихся внутри земной мантии. С течением времени эти минералы могли разрушаться, высвобождая воду, что является обычной особенностью для определенных соединений магния и кремния. Однако, по мнению авторов новой работы в Physical Review Letters, предлагаемые составы нередко демонстрировали недостаточную способность удерживать воду в условиях, характерных для земной мантии, таких как определенные температуры и давления.
Как появилась вода? Исследователи предлагают рассматривать этот вопрос в более широком контексте и отмечают, что в первые десятки миллионов лет существования Земли ее внутреннее строение существенно отличалось от современного. В настоящее время треть планеты представлена железо-никелевым ядром, которое состоит из элементов значительно тяжелее силикатов, формирующих мантию. Однако изначально планета имела более однородную внутреннюю структуру: более тяжелые металлические элементы еще не полностью переместились в ядро, а более легкие силикатные – не «поднялись» в мантию и кору. Это означает, что силикаты того времени находились под воздействием температур и давлений, характерных для ядра, но которым они не подвергаются в настоящее время, переместившись в мантию.
В новой работе ученые во главе с Сяо Дуном (КНР) использовали семейство эволюционных алгоритмов USPEX, разработанных Артемом Огановым (второй автор работы), для расчета свойств различных соединений, чтобы выяснить, какие из них могли содержать воду в недрах тогдашней Земли. Оказалось, что подходящих кандидатов всего два, и оба они — модификации одного силиката: α−Mg 2SiO5H2 и β−Mg2SiO5H2. Первое соединение демонстрирует стабильность при давлении 262–338 гигапаскалей (что соответствует приблизительно 2,6-3,4 миллиона земных атмосфер). Второе же сохраняет стабильность при значениях давления, превышающих 338 гигапаскалей. Оба соединения — суперионные проводники, ионы, включая протоны и ядра атомов водорода, способны относительно свободно перемещаться внутри кристаллической структуры этих минералов. При этом, в отличие от предыдущих претендентов на роль «водоносных» минералов, встречающихся на глубине Земли, эти соединения сохраняют устойчивость при температурах, достигающих тысяч кельвинов, что позволяет им удерживать воду даже в центре нашей планеты.
В комментарии для Naked Science По мнению Артема Оганова, в первые десятилетия миллионов лет существования Земли, в период опускания расплавленного железа к центру планеты и вытеснения более легких силикатов в верхние слои, прогнозируемое соединение начало деградировать. В мантии, куда были перемещены эти вещества, оказывалось недостаточно высокого давления для его стабильного существования. Вода составила 11% от массы продуктов распада.
Поскольку она обладала низкой плотностью, после попадания в мантию, вещество постепенно поднималось вверх и, в процессе извержений вулканов, достигало атмосферы Земли. Таким образом, поверхность нашей планеты постепенно насыщалась водяным паром, который впоследствии конденсировался, формируя водоемы.
Изучение вопроса о происхождении воды на Земле имеет огромное значение. Прежде всего, без нее невозможна была бы жизнь на нашей планете, включая и наше собственное существование. Кроме того, выяснение механизма формирования земной воды позволяет лучше прогнозировать, какие из экзопланет, находящихся в «зоне обитаемости», могут содержать воду и, возможно, поддерживать жизнь, а какие не располагают ею.
Артем Оганов утверждает, что механизм формирования земной воды, который можно представить как «открытый на кончике пера», не применим к Луне или Марсу. Даже при максимальном давлении в центре Марса, которое не превышает 37 гигапаскалей, этого недостаточно для поддержания стабильности предсказанных силикатов. Следовательно, вода на Марсе, вероятно, образовалась иным способом, например, была доставлена кометами.
Новое открытие, по мнению ученого, важно не только для планет Солнечной системы. Суперземли, превосходящие Землю по размерам и массе, характеризуются повышенным давлением в мантии. В связи с этим минералы, обнаруженные авторами исследования, сохранят свою устойчивость, даже если железо и другие тяжелые элементы вытеснят их из ядра. Подобное условие может определенным образом влиять на объем воды, присутствующей на поверхности этих планет.
Суперземли также могут столкнуться с проблемами, вызванными избытком воды, что не способствует развитию жизни. Если всю поверхностную воду Земли распределить равномерно, она покроет планету слоем всего около трех километров. Однако, благодаря большей гравитации, суперземли способны удерживать легкие газы и, теоретически, накапливать океаны глубиной в сотни километров.
Чрезмерная глубина океана приводит к колоссальному давлению, при котором вода может замерзать даже при значительном нагреве. Ученые называют такой необычный лед экзотическим, поскольку он препятствует переносу минералов из мантии, что приводит к обеднению глобального океана веществами, важными для поддержания жизни. Удержание части воды в мантии на таких суперземлях способно уменьшить глубину глобального океана и повысить шансы на развитие местной биосферы.