Образование океанов на Земле не было мгновенным событием; ее поверхность изначально была слишком жаркой. Предположения о «кометах», как источнике воды, также не подтвердились – isotopic состав нашей воды отличается от состава кометной. До недавнего времени происхождение воды оставалось загадкой, делая невозможно объяснить возникновение земной жизни.
В процессе образования, подобно другим планетам, Земля возникла в результате столкновений и слияний мелких тел из протопланетного материала. планетезималейСтолкновения метеоритов при образовании планеты сопровождались выделением огромных количеств энергии — десятикилометровое тело при падении может дать взрыв на 100 млн мегатонн тротилового эквивалента. Поэтому сразу после образования планеты на её поверхности было довольно жарко. К тому же земная орбита близка к Солнцу, что затрудняет накопления водного льда на её поверхности.
Ввиду этого многие учёные предположили, что воду на Землю доставили кометы или ледяные астероиды, образовавшиеся дальше от Солнца и накопившие немало лед воды. Однако соотношение дейтерия (тяжелый водород) и обычного водорода на Земле существенно отличается от такового в материалах астероидов и комет. Некоторые из последних (комета 103Р/Хартли) обладают соотношением дейтерия и легкого водорода, близким к земному, но изотопы других элементов, например азота, у них всё равно… резко отличаютсяЗначит, таких небесных тел на Землю не могло выпасть много, и таким образом объяснить появление океанов невозможно.
Некоторые исследователи предположили другое объяснение: вода находилась в гидратированных минералах земной мантии. С течением времени эти минералы могли разрушиться, выделяя воду, что свойственно некоторым соединениям магния и кремния. работы в Physical Review LettersПредлагаемые составы зачастую не могли сохранять влагу при температуре и давлении, характерных для земной мантии.
Вопрос о происхождении воды будит интерес у ученых. Предлагают взглянуть на него шире, напомнив, что первые десятки миллионов лет после образования Земли ее внутреннее строение отличалось от современного. Сегодня треть планеты — это железо-никелевое ядро из компонентов, более тяжелых силикатов, составляющих мантию. Вначале планета была более однородной: металлические компоненты не «утонули» в ядре, а легкие силикатные не «всплыли» в мантию и кору. Это означает, что силикаты того времени подвергались температурным и давлениюм, характерным для ядра, но отсутствующим сегодня после их подъема в мантию.
В новой работеУчёные под руководством Сяо Дуна (КНР) применили семейство эволюционных алгоритмов USPEX, разработанных Артемом Огановым (второй автор работы), для расчета свойств различных соединений. Цель исследования заключалась в определении тех из них, которые могли содержать воду в недрах древней Земли. Было выявлено два подходящих кандидата — модификации одного силиката: α−Mg. 2SiO5H2 и β−Mg2SiO5H2Первый устойчив при давлении от 262 до 338 гигапаскалей (примерно от 2,6 до 3,4 миллионов земных атмосфер). Второй — при более высоком давлении. суперионные проводникиИоны (в частности, протоны, ядра атомов водорода) внутри их кристаллической решетки перемещаются сравнительно легко. Важно отметить, что в отличие от более ранних претендентов на роль «водоносных» минералов глубин Земли, оба эти соединения способны сохранять стабильность при температурах в тысячи кельвин и таким образом удерживать воду даже в центре нашей планеты.
В комментарии для Naked ScienceАртем Оганов указывает, что в первые десятки миллионов лет земной истории, когда расплавленное железо опускалось в центр планеты, вытесняя более легкие силикаты в область меньших глубин, предсказанное соединение постепенно начало разрушаться. Давление в мантии, куда переместились продукты распада, было слишком низким для его существования. Среди продуктов распада 11% по весу составила вода.
В мантии, благодаря малой плотности, она поднималась вверх и с извержениями вулканов попадала в атмосферу Земли. Так постепенно поверхность нашей планеты насытилась водяным паром, который затем конденсировался, образуя водоемы.
Происхождение земной воды крайне важно по двум причинам: без нее не могла бы возникнуть жизнь на планете, включая нас самих. Понимание ее происхождения поможет понять, какие экзопланеты в зоне обитаемости могут быть потенциально заселены жизнью из-за наличия воды, а какие лишены этой возможности.
Артем Оганов утверждает, что механизм образования земной воды, основанный на открытом принципе «на кончике пера», не применим к Луне или Марсу. Давление в центре последнего не превышает 37 гигапаскалей, что в несколько раз меньше необходимого для устойчивости предсказанных силикатов. Вода на Марсе, скорее всего, появилась другим путем, например, прибыла с кометами.
Учёный считает новое открытие значимым для планет за пределами Солнечной системы. Суперземли, превосходящие Землю по размеру и массе, обладают более высоким давлением в мантии. Это означает, что обнаруженные авторами работы минералы сохранят стабильность даже после того, как железо и другие тяжёлые элементы вытеснят их из ядра. Такая ситуация может частично ограничивать количество воды на поверхности подобных планет.
Слишком много воды может быть не самым подходящим вариантом для потенциальной жизни и на суперземлях. Если всю поверхностную воду Земли распределить по ее поверхности равномерно, слой составит около трех километров. Но суперземли, благодаря большей силе тяжести, лучше удерживают легкие соединения и могут накопить океаны глубиной в 100 километров и более.
Чрезмерная глубина океана приводит к такому давлению, при котором вода превращается в лёд даже при высокой температуре. Такой необычный лёд препятствует выходу минералов из мантии, что ухудшает состав глобального океана и ограничивает доступ необходимых веществ для развития жизни. Если часть воды на таких планетах будет находиться в мантии, это может уменьшить глубину океана и улучшить условия для жизни.