Как рождалась Земля и почему Марс упустил шанс стать обитаемым: раскрыта формула их сборки

В составе каменных оболочек Земли и Марса есть странная закономерность, которую ученые не могли убедительно объяснить на протяжении нескольких десятилетий. Если взять силикатную мантию нашей планеты (породу, из которой состоит большая часть ее объема за вычетом металлического ядра) и сопоставить ее с химическим составом Солнца, обнаружится существенная нехватка целого ряда элементов.

Речь идет об умеренно летучих элементах: натрии, калии, марганце, цинке, литии, индии и фторе. По сравнению с углеродистыми метеоритами, которые считаются образцами исходного вещества Солнечной системы, на Земле и Марсе этих веществ в разы меньше.

Все эти элементы относятся к литофильным — то есть в химических реакциях они охотно связываются с кислородом и остаются в составе силикатных пород, а не растворяются в жидком железе. Это значит, что они не могли просто утонуть в ядре во время его отделения от мантии. Они отсутствуют в объеме всей планеты.

Долгое время считалось, что их испарило молодое Солнце еще до того, как планеты начали собираться. Однако новые данные и расчеты показывают, что вещество вокруг Солнца оставалось холодным, а потеря элементов происходила по совершенно другим законам.

Почему прежняя гипотеза перестала работать

В классической модели формирования планет предполагалось, что протопланетный диск — вращающееся вокруг молодой звезды облако из газа и пыли — был сильно разогрет за счет внутренней турбулентности. Считалось, что на расстоянии, где сейчас находится Земля, вещество нагревалось настолько, что летучие элементы не могли сконденсироваться в твердые частицы и оставались в виде газа. В твердую фазу выпадали только тугоплавкие соединения железа, магния, кремния, кальция и алюминия.

Однако развитие астрофизики за последние десять лет разрушило эту картину. Исследования показали, что вещество протопланетного диска падало на Солнце не из-за внутреннего трения, а под действием дисковых ветров, порождаемых крупномасштабными магнитными полями. При таком режиме энергия почти не выделяется в виде тепла.

Расчеты показали: на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца (орбита современной Земли) средняя плоскость диска оставалась холодной — ее температура не превышала 300 Кельвинов (около 27 градусов Цельсия).

Эту цифру подтвердили анализы реальных образцов вещества. Родительские тела древнейших железных метеоритов формировались в присутствии воды, органического углерода и азота. Если бы диск был горячим, эти компоненты улетучились бы первыми. Кроме того, зонды «Хаябуса-2» и OSIRIS-REx, доставившие на Землю образцы с первозданных астероидов Рюгу и Бенну, показали, что холодная, не испытавшая нагрева пыль была распространена по всей ранней Солнечной системе.

Возникло фундаментальное противоречие. Исходный строительный материал планет был холодным и содержал полный набор умеренно летучих элементов. Готовые планеты оказались сильно обеднены ими. Следовательно, потеря происходила не до начала формирования планет, а непосредственно во время их роста.

Два конкурирующих пути формирования планет

В современной планетной астрономии существуют два взгляда на то, как росли планеты земной группы.

Первый — классический столкновительный сценарий. Сначала из пыли сформировались планетезимали — каменные и ледяные глыбы размером от сотен метров до десятков километров. Затем эти тела сталкивались друг с другом на протяжении десятков миллионов лет, постепенно образуя несколько десятков крупных тел размером с Луну или Марс (протопланетные зародыши), которые в финале объединялись в ходе редких столкновений колоссальной силы.

Второй — аккреция гальки (или пеббл-аккреция). Мелкие частицы пыли во внешних областях системы слипаются в пористые камешки размером от миллиметров до нескольких сантиметров. Газ протопланетного диска тормозит эти камешки, заставляя их дрейфовать по спирали к Солнцу. Протопланетный зародыш, находящийся на стабильной орбите, гравитационно притягивает этот непрерывный поток миллиметровых частиц и увеличивает свою массу очень быстро — буквально за сотни тысяч лет.

Авторы нового исследования, опубликованного в Nature Astronomy, решили проверить, какой из этих процессов (или их комбинация) способен объяснить наблюдаемое соотношение химических элементов на Земле и Марсе.

Механизм теплового отбора в первичной атмосфере

Когда масса растущей планеты превышает несколько сотых долей массы современной Земли, ее силы тяжести становится достаточно, чтобы притянуть и удерживать вокруг себя плотную газовую оболочку из окружающего пространства. Эта атмосфера состоит в основном из водорода и гелия.

Если планета растет за счет аккреции гальки, частицы падают на нее непрерывно. Пролетая сквозь газовую оболочку, они тормозятся, испытывают сильное аэродинамическое сопротивление и отдают свою кинетическую энергию газу. В результате нижние слои атмосферы, соприкасающиеся с поверхностью формирующегося магматического океана, разогреваются до нескольких тысяч градусов.

По мере роста планеты температура у ее поверхности повышается. В этих условиях и запускается процесс химического разделения:

1. Сублимация. Температура сублимации — это точка, при которой твердое вещество переходит непосредственно в газообразное состояние. Когда температура на дне атмосферы поднимается выше порога сублимации конкретного элемента, он испаряется из падающей гальки еще до того, как успеет упасть на твердую поверхность или раствориться в расплаве магмы.
2. Конвекция. Выделившееся тепло заставляет атмосферные газы интенсивно перемешиваться. Теплые потоки поднимаются вверх, перенося испарившиеся химические элементы в верхние слои оболочки.
3. Унос вещества в диск. На внешней границе атмосферы (в районе радиуса гравитационного захвата, так называемого радиуса Бонди) газовые потоки протопланетного диска непрерывно омывают оболочку планеты. Они захватывают поднятый конвекцией горячий пар и уносят его обратно в межпланетное пространство.

Чтобы проверить, насколько быстро планета теряет вещество, ученые провели трехмерное гидродинамическое моделирование на суперкомпьютере. Модель показала высокую скорость процесса: в пределах одного года около 70% испарившегося элемента выдувается из атмосферы в протопланетный диск, а в течение пяти лет теряется более 97%.

Даже если часть пара успевает остыть и снова сконденсироваться, образующиеся пылинки имеют микронные размеры. Из-за микроскопической массы они намертво связываются с движущимся газом и выбрасываются в открытый космос, не успевая осесть обратно на планету.

Кремниевый тепловой экран

Если падающее вещество так легко испаряется, возникает закономерный вопрос: почему молодая Земля не испарилась целиком и смогла сохранить кремний, железо и магний, из которых состоит ее основа?

Ответ кроется в физическом разделении температурных зон внутри растущей атмосферы.

Тугоплавкие элементы обладают высокой стойкостью к нагреву: кремний переходит в газовую фазу при 1450 Кельвинах, магний — при 1478, алюминий — при 1824, а титан — при 1769 Кельвинах. Умеренно летучие элементы испаряются при гораздо более низких температурах: натрий — при 1054, калий — при 1042, цинк — при 711, а индий — всего при 461 Кельвине.

Когда температура в самых глубоких слоях атмосферы достигает 1400-1450 Кельвинов, кремний начинает испаряться, образуя плотный пар монооксида кремния (SiO). Этот пар моментально конденсируется в мощный слой силикатных облаков. Возникает так называемая радиационная зона. Плотные силикатные облака блокируют конвекцию — вертикальное перемешивание слоев газа в этой области прекращается, и тепло передается наружу исключительно излучением.

Этот радиационный слой выполняет роль барьера. Он надежно запирает кремний, магний и другие тугоплавкие элементы в нижних слоях атмосферы, удерживая их в равновесии с поверхностным магматическим океаном. Пар этих элементов просто не может подняться в верхние слои атмосферы, откуда его могли бы выдуть потоки газа из протопланетного диска.

Элементы с более низкой температурой испарения — калий, натрий, цинк, литий — сублимируют значительно выше границы радиационной зоны, в пределах конвективной части оболочки. Никаких преград для их движения нет, и восходящие потоки беспрепятственно выносят их в открытый космос.

Таким образом, первичная атмосфера сработала как избирательный фильтр: тяжелая силикатная основа планеты осталась на месте, а умеренно летучие компоненты были потеряны.

Математический расчет: как собирались Земля и Марс

Исследователи сопоставили эти физические расчеты с реальным содержанием 13 химических элементов в мантиях Земли и Марса, применив байесовский статистический анализ. Программа перебрала различные варианты смешивания исходных компонентов, чтобы найти единственную комбинацию, которая дает точное совпадение с геологическими данными.

Результаты показали, что Земля и Марс строились совершенно по-разному.

Земля

Наша планета сформирована в основном за счет аккреции мелкой гальки — этот процесс обеспечил не менее 75% ее массы. Однако это вещество попало на Землю не в виде единого непрерывного потока.

Наилучшее совпадение по химическому составу дает модель из трех частей:

• Прото-Земля: набрала около 64% массы за счет аккреции гальки.
• Крупный ударник (Тейя): набрал около 22% массы также за счет аккреции гальки.
• Планетезимали: добавили оставшиеся 14% массы.

Тело, столкновение с которым породило Луну, росло точно по тем же физическим законам, что и основная часть Земли, и потеряло свои летучие элементы аналогичным образом. Доля планетезималей (около 14%) оказалась критически важной: именно они обеспечили наблюдаемый уровень лития в мантии Земли, который был бы слишком низким при чистой аккреции гальки. Модели, исключающие аккрецию гальки и предполагающие рост Земли только из столкновений астероидов, байесовский алгоритм отверг как математически невозможные.

Марс

Силикатная оболочка Марса показала принципиально иную картину:

• Аккреция гальки: всего 27 +- 5% массы.
• Ранние планетезимали: 73 +- 5% массы.

Марс сформировался преимущественно за счет объединения относительно крупных первичных астероидов, которые потеряли свои летучие элементы не в атмосфере, а еще раньше — из-за внутреннего разогрева радиоактивным распадом изотопа алюминия-26.

Марс практически не участвовал в процессе аккреции гальки. По всей видимости, он образовался очень рано и быстро, после чего гравитационное влияние формирующихся рядом массивных тел (включая прото-Землю и растущий Юпитер) возмутило его орбиту. Марс покинул область стабильного дрейфа мелких частиц и прекратил расти, оставшись изолированным реликтовым зародышем планеты.

Разрешение парадокса серы

Полученные результаты позволили попутно разрешить еще одну старую геологическую загадку, связанную с серой.

Сера относится к летучим элементам, но при этом является сидерофильной — то есть химически притягивается к жидкому металлическому железу. Если бы летучие элементы терялись только в газовой фазе при падении песчинок, сера должна была исчезнуть почти целиком.

Однако сейсмические измерения марсохода InSight и расчеты для земного ядра показывают, что в недрах обеих планет содержится значительное количество серы: от 10 до 23% от протосолнечной нормы на Земле и от 19 до 85% на Марсе.

Гибридная модель объясняет этот факт. Те 14% планетезималей, которые упали на Землю, и те 73%, которые сформировали Марс, были телами крупными (размером в сотни километров, подобно астероиду Веста). Они были достаточно массивны, чтобы расплавиться изнутри за счет распада короткоживущих радиоактивных изотопов еще до столкновения с растущими планетами.

Внутри этих планетезималей произошло разделение слоев: тяжелое железо опустилось в центр, сформировав небольшое металлическое ядро, а силикаты образовали кору и мантию. Сера перешла в расплавленное железо и сконцентрировалась в ядрах астероидов.

Когда такие тела падали на растущие Землю и Марс, их силикатная кора дробилась и испарялась в атмосфере, теряя летучие элементы, а плотные металлические ядра сохраняли целостность, проходили сквозь расплавленную поверхность и целиком погружались в формирующееся ядро планеты. Сера попала в недра внутри металлической фракции, не вступая в контакт с первичной атмосферой, и благодаря этому избежала выдувания в космос.

Значение для поиска обитаемых экзопланет

Выводы исследователей имеют прямое отношение к вопросу о том, как формируются планеты у других звезд и где следует искать условия для зарождения жизни.

Наблюдения за атмосферами загрязненных белых карликов — звезд, которые завершили свой жизненный цикл и притягивают гравитацией обломки своих бывших планетных систем, — показывают ту же картину. Спектральный анализ падающего на них вещества регулярно фиксирует нехватку натрия, калия и цинка. Это означает, что атмосферная потеря летучих элементов при аккреции пылевой гальки — универсальный физический закон, действующий в планетных системах по всей Галактике.

Кроме того, исследование меняет представления о доставке на каменные планеты элементов, необходимых для жизни: углерода, азота, водорода и фосфора.

Эти вещества испаряются при еще более низких температурах, чем натрий или цинк. Они гарантированно теряются атмосферой в период активного роста планеты за счет гальки. Это значит, что вода и органические соединения не могли присутствовать на Земле с самого начала ее формирования.

Они были доставлены на завершающем этапе — либо в результате падения холодных планетезималей из дальних областей Солнечной системы, сформировавшихся за пределами снеговой линии, либо путем осаждения остатков пыли уже после того, как планета набрала основную массу, ее атмосфера остыла, а конвективный вынос вещества в открытый космос прекратился.

Химический состав планеты определяется не только составом той туманности, из которой она родилась. Он жестко зависит от баланса между тем, сколько вещества планета собрала в виде мелкой пыли и сколько — в виде крупных обломков. Именно этот баланс определяет толщину ее коры, состав ее атмосферы и саму возможность появления на ней океанов.

Источник: Nature Astronomy