Ученые, которые изучают историю формирования Земли, непрерывно ищут любые свидетельства происходивших в прошлом событий. Ими могут послужить, например, самые незначительные отличия изотопного состава пород и газовых оболочек разных планет, а также иных небесных тел. В новом исследовании такой «уликой» стал благородный газ криптон — наиболее достоверным объяснением наблюдаемого соотношения его изотопов в земных недрах может быть только бомбардировка нашей планеты крупными телами, прилетевшими из внешних регионов Солнечной системы порядка 4,5 миллиарда лет назад.
Научная работа с новыми данными по изотопному составу криптона, содержащегося в магме Земли опубликована в журнале Nature. Ее подготовили сотрудники Калифорнийского университета в Дейвисе при участии коллег из Океанографического института Вудс-Хоул и Университета штата Орегон. Коллектив авторов статьи возглавляла Сандин Перон (Sandrine Péron), сейчас работающая в Швейцарской высшей технической школе Цюриха (ETH Zurich), а это исследование стало кульминацией ее постдокторантуры в США под руководством профессора Суджоя Мукхопадхьяя (Sujoy Mukhopadhyay).
Именно труды наставника Перон позволили провести необходимые для совершения открытия измерения. В лаборатории Мукхопадхьяя ранее был разработан метод определения изотопного состава сверхмалых концентраций благородных газов, находящихся в составе минералов. С помощью барокамеры из образцов лавы ученые извлекли смесь древних газов, выделили из них только благородные, а затем отделили криптон от аргона и ксенона. Полученный практически чистый криптон уже можно было подвергать спектральному анализу, чтобы выявить искомое соотношение изотопов Kr-78 и Kr-80.
Собранные командой Перон образцы — очень древние, им более 4,4 миллиарда лет. Газы, присутствовавшие на Земле в тот период ее формирования оказались буквально заперты в расплавленных породах. Со временем такие «капсулы времени» опустились очень глубоко в недра. Единственные места, где их можно их заполучить — вулканические горячие точки на Галапагосах и в Исландии. Именно там на поверхность планеты изливается лава, которую несет мощным потоком в мантии практически от внешних границ земного ядра. Когда расплав затвердевает, часть газов не успевает улетучиться и оказывается заперта в микроскопических пузырьках среди стекловидной матрицы вулканической породы.
Каждый такой пузырек содержит очень незначительные количества криптона: считанные сотни миллионов атомов. Именно поэтому для определения изотопного состава этого газа в древних породах понадобилась непростая методика по «очистке и обогащению» образца. На всех этапах процесса едва ли не главной сложностью для исследователей было избегание загрязнения образцов воздухом. От момента забора проб и до отправки очищенного древнего криптона в спектрометр. Только таким образом ученые могли уверенно сравнивать изотопный состав нынешней атмосферы и древних газовых смесей. Непростое требование удалось выполнить, и это позволило исследователям сделать интересные выводы.
Результаты анализов показывают, что в древних породах и сегодняшнем атмосферном воздухе соотношение изотопов Kr-78 и Kr-80 разительно отличается. Причем образцы газов из лавы почти идентичны тем, что обнаружены в богатых углеродом метеоритах с внешних границ Солнечной системы. Это означает, что Земля уже на ранних этапах своего формирования получала изрядное количество летучих химических элементов и соединений путем бомбардировки подобными небесными телами.
Такой вывод сильно противоречит ныне доминирующей гипотезе происхождения летучих элементов на нашей планете. В научных кругах наиболее обоснованной считается версия, согласно которой большую их часть Земля получила после образования Луны в результате колоссального импактного события (столкновения с Тейей). Отметим, что данная теория хоть и неплохо обоснована, но существуют и альтернативные, которые нередко существенно лучше объясняют некоторые эмпирические данные.
Более того, результаты работы Перон с коллегами наводят на еще более интересные умозаключения. Источников летучих элементов и соединений на Земле совершенно точно было несколько, не менее трех-четырех. Хорошо доказано, что неон наша планета получила от Солнца. Естественно, метеориты самых разных классов за последние 4,4 миллиарда лет принесли их тоже немало. Вероятное столкновение, образовавшее Луну четыре с половиной миллиарда лет назад должно было унести много легких компонентов земной химии. Значит после него что-то вернуло жизненно необходимую нам материю назад. А вот почему Kr-86 в мантии несколько меньше по сравнению с другими изотопами, чем в метеоритах с границ Солнечной системы — пока неясно. Возможно, был (или есть) какой-то еще источник легких «сортов» этого благородного газа, который мы пока не нашли.