Рецепт жизни на молодой Земле: как близкая Луна и водяной пар не давали планете остыть

Около 4,5 миллиардов лет назад молодая Земля пережила столкновение с крупным космическим телом, которое ученые называют Тейей. В результате этого удара внешняя оболочка нашей планеты полностью расплавилась, превратившись в магматический океан глубиной в тысячи километров, а на орбите началось формирование Луны. До недавнего времени считалось, что расплавленная мантия Земли остыла и затвердела быстро — всего за несколько десятков миллионов лет. Однако новые математические модели заставляют пересмотреть эти сроки.

Исследователи из Гронингенского и Кембриджского университетов построили компьютерную модель, которая учитывает совместное влияние гравитации ранней Луны и состава первородной атмосферы на тепловой баланс планеты. Выяснилось, что при определенных условиях магматический океан мог оставаться жидким до 500 миллионов лет. Этот период не просто замедлил формирование твердой коры, но и создал уникальные химические условия, которые облегчили последующее появление жизни.

Физика процесса: как гравитация превращается в тепло

Основным источником тепла, который противодействовал остыванию Земли, стал приливный разогрев. Вскоре после своего формирования Луна находилась очень близко к Земле — на расстоянии около трех земных радиусов, тогда как сейчас это расстояние превышает шестьдесят радиусов. При этом Земля вращалась чрезвычайно быстро: сутки длились всего около шести часов.

Близкое расположение массивного спутника вызывало мощные приливные волны. Поскольку жидкой воды на планете еще не было, гравитация Луны деформировала саму полурасплавленную мантию Земли. По мере вращения планеты эти деформации постоянно смещались, вызывая смещение слоев вещества относительно друг друга.

Это работало как непрерывная цепочка физических процессов. Быстрое вращение Земли сочеталось с близким расположением Луны. Из-за этого гравитационное притяжение спутника постоянно деформировало мантию Земли, вызывая сильное внутреннее трение в ее вязком веществе недр. В итоге механическая энергия движения превращалась в тепловую, компенсируя остывание планеты.

Выделение тепла при приливном разогреве зависит от степени отвердевания пород:

• Полностью жидкая мантия обладает низкой вязкостью. Слои расплавленного камня легко смещаются, не вызывая сильного трения, поэтому тепла выделяется мало.
• Полностью затвердевшая мантия практически не деформируется под действием приливных сил, поэтому нагрев также прекращается.
• Вязкопластическое состояние возникает, когда мантия остывает настолько, что в ней начинается кристаллизация (доля жидкого расплава составляет от 20% до 60%). Вещество становится густым, деформации продолжаются, и внутреннее трение достигает своего максимума. Именно на этом этапе приливные силы выделяют наибольшее количество тепловой энергии.

Точка равновесия: почему остывание прекратилось

Для расчетов авторы исследования использовали программный комплекс PROTEUS. Он объединяет две независимые модели: одна рассчитывает движение тепла и кристаллизацию внутри мантии, другая — перенос энергии и излучение газов в атмосфере.

Моделирование показало, что система способна приходить в состояние глобального радиационного равновесия. Это баланс сил, при котором количество тепла, теряемое планетой через излучение в космос, полностью компенсируется приливным разогревом изнутри и теплом от молодого Солнца.

В этот момент кристаллизация мантии останавливается. Граница между твердыми нижними слоями и расплавленной верхней частью мантии фиксируется на одной глубине. Такое состояние теплового баланса могло длиться от нескольких миллионов до сотен миллионов лет. Планета фактически оказывалась заблокированной в полурасплавленном состоянии, пока Луна постепенно не отодвинулась дальше от Земли, что ослабило приливные силы.

Химический состав атмосферы как регулятор тепла

Скорость, с которой тепло уходило в космос, напрямую зависела от состава атмосферных газов. Газы выделялись из остывающей мантии, а их состав определялся количеством доступного кислорода во внутренних слоях планеты. Исследователи рассмотрели два возможных сценария:

Сценарий с высоким содержанием кислорода (окисленная мантия)

В таких условиях из расплава выделялись преимущественно водяной пар (H2O) и углекислый газ (CO2). Водяной пар задерживает тепловое излучение планеты.

Из-за высокого содержания воды атмосфера становилась непрозрачной для инфракрасного излучения. Выделяющееся тепло не могло свободно уходить в космос. В результате даже слабых приливных сил было достаточно, чтобы поддерживать мантию в расплавленном состоянии на протяжении сотен миллионов лет.

Сценарий с низким содержанием кислорода (восстановленная мантия)

При недостатке кислорода мантия выделяла водород (H2), угарный газ (CO) и метан (CH4). Такая газовая смесь значительно лучше пропускает инфракрасный излучение.

Тепло быстро уходило в космическое пространство, и магматический океан затвердевал в несколько раз быстрее. Продлить его существование в этом случае могли только чрезвычайно мощные приливные силы, которые возникали лишь при максимальном сближении Земли и Луны.

Значение для зарождения жизни

Продолжительная жидкая фаза мантии изменила химический состав атмосферы, сделав его более благоприятным для последующего синтеза органических молекул.

Для появления первых живых организмов необходим цианистый водород (HCN). Это соединение служит исходным материалом для образования аминокислот и нуклеиновых кислот. Однако эффективный синтез цианистого водорода под действием солнечного ультрафиолета возможен только в том случае, если доля метана в атмосфере примерно в десять раз меньше доли углекислого газа (соотношение CH4/CO2 около 0,1).

Процесс образования этих веществ шел по строгой цепочке. Промежуточный уровень содержания кислорода в мантии обеспечивал выделение газов в нужных пропорциях. В результате в атмосфере устанавливалось оптимальное соотношение метана и углекислого газа. Под воздействием солнечного ультрафиолетового излучения в такой смеси запускались реакции, приводившие к активному синтезу цианистого водорода — базового строительного блока для будущих аминокислот.

Моделирование показало, что такое оптимальное соотношение газов поддерживалось именно в процессе медленного остывания мантии при умеренно-восстановленном состоянии (в диапазоне от минус двух единиц до исходного значения буфера железо-вюстит).

Кроме того, длительное существование магматического океана привело к выделению других важных газов, таких как аммиак (NH3) и сероводород (H2S). Когда приливные силы ослабли и Земля наконец остыла, эти вещества уже присутствовали на ее поверхности, готовые к участию в химических реакциях, которые привели к возникновению жизни.

Что это значит для поиска внеземной жизни

Данное исследование расширяет рамки поиска жизни за пределами Солнечной системы. Ранее астрономы оценивали пригодность экзопланет для жизни в основном по их расстоянию от звезды. Считалось, что жидкая вода может существовать только в строго определенной температурной зоне.

Новые данные показывают, что каменистые планеты, находящиеся за пределами этой зоны или вращающиеся вокруг холодных звезд (красных карликов), могут оставаться теплыми изнутри. Если у экзопланеты есть крупный спутник или она сама расположена близко к звезде, приливные силы способны поддерживать ее недра в полурасплавленном состоянии сотни миллионов лет.

Анализируя состав газов таких планет с помощью современных телескопов, ученые могут определять тепловые процессы в их недрах. Наличие в атмосфере повышенных концентраций аммиака и сероводорода при дефиците угарного газа теперь может рассматриваться как признак активного приливного разогрева, который в будущем способен подготовить планету к появлению жизни.

Источник: arXiv