Ученые-химики определили происхождение вод на Земле

Новости МирТесен

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 благодаря столкновениям и объединению множества небольших протопланетных объектов. 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, что указывает на то, что такое большое количество подобных объектов не могло упасть на Землю, делая эту теорию недостаточной для объяснения происхождения мирового океана.

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, предложенные ранее составы не могли сохранять воду при тех температурах и давлениях, которые существовали в земной мантии.

Каков же был источник воды? Специалисты советуют расширить горизонты исследований и подчеркивают, что в первые десятилетия после формирования планеты её внутренняя структура значительно отличалась от современной. В настоящее время около трети Земли занимает железо-никелевое ядро, состоящее из веществ гораздо более плотных, чем силикаты, формирующие мантию. Однако изначально планета имела более однородный состав: тяжелые металлические элементы еще не опустились в центр ядра, а легкие силикатные соединения ещё не поднялись на поверхность, образуя мантию и кору. Это означало, что силикаты того периода подвергались воздействию температур и давлений, характерных для современного ядра планеты, но которых они сейчас избегают, переместившись в более верхние слои.

В новой работе ученые под руководством Сяо Дуна (Китай) применили эволюционные алгоритмы USPEX, разработанные Артемом Огановым (совместный автор публикации), для моделирования характеристик различных веществ с целью определения того, какие из них могли удерживать воду в недрах молодой Земли. В результате анализа было установлено, что подходящих соединений всего два и оба они являются разновидностями одного силиката: α−Mg ₂SiO₅H₂ и β−Mg₂SiO₅H₂. Эти соединения демонстрируют устойчивость при давлении от 262 до 338 гигапаскалей (что эквивалентно примерно 2,6–3,4 миллионам атмосфер), а второй – при еще более высоких значениях давления. Оба этих вещества являются 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.

Попав в толщу Земли, вода из-за своей низкой плотности начала медленно подниматься вверх и посредством вулканических процессов выходила на поверхность планеты. Таким образом, постепенно атмосфера нашей планеты насыщалась водяным паром, который впоследствии конденсировался, формируя водоемы.

Изучение источников земной влаги представляет собой задачу первостепенного значения по двум основным соображениям. Прежде всего, существование местной биосферы, включая человечество, невозможно без наличия воды. Кроме того, выяснение обстоятельств формирования вод на Земле позволяет прогнозировать наличие водных ресурсов и потенциальной жизни на экзопланетах, расположенных в так называемой «обитаемой зоне», которые обнаруживают астрономы – какие из них могут быть богаты водой, а какие нет.

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.

По мнению исследователя, новое открытие имеет значение также при рассмотрении планет за пределами Солнечной системы. Экзопланеты класса «суперземель», превосходящие Землю по размерам и массе, характеризуются более высоким давлением в своей мантии. Это означает, что минералы, обнаруженные авторами исследования, не утратят устойчивость даже после того, как тяжелые элементы, такие как железо, будут вытеснены из ядра планеты. Подобное условие может влиять на объем воды, присутствующий на поверхности этих планет.

Чрезмерное количество влаги также не является благоприятным фактором для развития жизни и на суперземлях. Если всю воду с поверхности Земли распределить равномерно, толщина слоя составит всего около трех километров. Однако из-за большей гравитации суперземли способны удерживать легкие соединения эффективнее, что теоретически позволяет им формировать 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.