Откуда на самом деле взялась вода на Земле: как планета создала океаны из камней

Долгое время в планетологии господствовала ударная модель образования планет. Считалось, что внутренняя часть Солнечной системы формировалась в результате случайных соударений крупных астероидов и протопланетных тел размером в сотни и тысячи километров. Этот процесс, согласно классическим расчетам, должен был занимать от 50 до 100 миллионов лет. Поскольку область вблизи Солнца была слишком горячей для конденсации льда, предполагалось, что сформировавшаяся Земля была сухой. Воду, согласно этой гипотезе, принесли значительно позже кометы и богатые летучими веществами астероиды, падавшие на поверхность остывшей планеты.

Однако детальные геохимические исследования привели эту теорию к противоречию.

Если исходить из предположения, что планеты собирались из готовых астероидов, то химический состав Земли должен в точности соответствовать смеси известных нам метеоритов — хондритов. Но расчеты показывают обратное: ни одна комбинация существующих классов метеоритов не способна воспроизвести соотношение основных элементов Земли — железа, магния, кремния, кальция и алюминия. Кроме того, временные рамки столкновительной модели не согласуются с данными по газовым гигантам. Юпитер сформировался за 3-5 миллионов лет, до того, как протопланетный газовый диск рассеялся под действием излучения молодого Солнца. Физика диска не дает ответа на вопрос, почему Юпитер возник быстро, тогда как планетам земной группы потребовалось на два порядка больше времени.

В исследовании планетолога Сусмиты Гарай из Университета Нью-Мексико, выполненном совместно с профессорами Закари Шарпом и Питером Олсоном, предложено другое объяснение. Авторы показали, что Земля, Венера, Марс и Меркурий сформировались всего за 2-3 миллиона лет за счет аэродинамического захвата мелких твердых частиц размером от долей миллиметра до нескольких сантиметров. Лабораторные эксперименты подтвердили, что земная вода возникла не из внешних источников, а была синтезирована непосредственно внутри первичной водородной атмосферы планеты при плавлении оседающего силикатного вещества.

Аэродинамика протопланетного диска: физика захвата частиц

Новая модель опирается на процесс аккреции твердых частиц. Чтобы проследить его механику, необходимо обратиться к гидродинамике газопылевого диска, окружавшего молодое Солнце.

Газ в протопланетном диске разогрет неравномерно: вблизи звезды температура и давление выше, на удалении — ниже. Из-за этого перепада радиального давления газовый слой частично компенсирует гравитационное притяжение звезды и обращается вокруг нее со скоростью, которая на десятки метров в секунду уступает расчетной круговой орбитальной скорости. Твердые тела не удерживаются давлением газа. Они стремятся двигаться с полной орбитальной скоростью.

Из-за разницы скоростей твердые частицы непрерывно испытывают воздействие встречного потока газа. Возникает сила аэродинамического сопротивления. Частицы теряют угловой момент и начинают дрейфовать по спирали по направлению к Солнцу.

Динамика движения частиц в газовом диске определяется числом Стокса. Это безразмерный параметр, выражающий отношение времени аэродинамического торможения частицы к периоду ее обращения вокруг звезды. Значение числа Стокса пропорционально радиусу и плотности частицы и обратно пропорционально плотности окружающего газа.

В зависимости от числа Стокса вещество в диске разделяется на три фракции:

1. Тонкодисперсная пыль (число Стокса меньше 10⁻⁵): частицы размером менее 5 микрометров жестко связаны с потоками газа. Они огибают растущую протопланету вместе с газовой средой и не осаждаются на ее поверхность.
2. Крупные тела (число Стокса существенно больше 1): объекты размером в сотни метров и километры обладают слишком большой массой, поэтому сопротивление газа почти не влияет на их орбиты. Они сталкиваются с протопланетой только при прямом попадании, из-за чего набор массы занимает десятки миллионов лет.
3. Частицы промежуточного размера (число Стокса от 10⁻³ до 10⁻¹): фракция размером от долей миллиметра до нескольких сантиметров тормозится встречным газом наиболее эффективно. Когда такая частица входит в сферу Хилла (зону, где тяготение планетарного зародыша начинает преобладать над тяготением Солнца), сопротивление газа гасит ее избыточную скорость. Частица теряет орбитальную энергию и по спирали оседает на протопланету.

Аккреция переходит в эффективную стадию, когда масса растущего зародыша достигает критической величины. Этот порог перехода прямо пропорционален кубу скорости встречного газового ветра и обратно пропорционален гравитационной постоянной и частоте обращения по орбите. На расстоянии одной астрономической единицы от Солнца начальная масса составляет примерно 2 x 10⁻⁴ массы Земли, что соответствует телу радиусом в несколько сотен километров. Достигнув этого рубежа, планета начинает непрерывно захватывать дрейфующий поток твердого вещества.

Селективный отбор компонентов: решение метеоритного парадокса

Прежние попытки рассчитать элементный состав Земли исходили из предположения, что исходным материалом служили цельные метеориты-хондриты.

Хондриты неоднородны по своей структуре. Они представляют собой механическую смесь нескольких независимых элементов:

• Хондры: застывшие силикатные капли миллиметрового диаметра.
• Кальциево-алюминиевые включения (CAI): наиболее древние тугоплавкие минералы Солнечной системы.
• Амебоидные оливиновые агрегаты (AOA): высокотемпературные силикатные конденсаты.
• Зерна металла: включения свободного сплава железа и никеля.
• Матрица: ультрадисперсная силикатная и углеродистая пыль микронных размеров, заполняющая промежутки между хондрами.

Все эти составляющие возникли в туманности в разное время и в разных температурных зонах. До объединения в астероиды они перемещались в диске раздельно.

Аэродинамический анализ показывает, что хондры, тугоплавкие включения и металлические зерна имеют диаметр от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. При расчетной плотности газа на орбите Земли их число Стокса попадает в диапазон от 10⁻³ до 10⁻², а для агрегатов металла — до 10⁻¹. Они идеально подходят для гравитационного осаждения. В то же время минеральная матрица состоит из частиц мельче 5 микрометров с числом Стокса менее 10⁻⁵. Газовый поток переносил эту пыль мимо растущей планеты, не позволяя ей оседать.

Сусмита Гарай применила методы математической инверсии (метод наименьших квадратов и алгоритм Монте-Карло для марковских цепей), чтобы рассчитать пропорции смеси свободных первичных компонентов, необходимых для сборки Земли:

• Модели, построенные на цельных хондритах, дают ошибку: в них возникает дефицит железа, кальция и алюминия при избытке кремния и кислорода, что не укладывается в границы известных геохимических погрешностей.
• Модель, использующая изолированные компоненты без пылевой матрицы, с высокой точностью воспроизводит реальные концентрации главных элементов (железа, никеля, кремния, магния, кальция, алюминия и кислорода), на которые приходится 98% массы Земли.
• Наилучшее соответствие достигается при следующем соотношении компонентов: от 40 до 77 весовых процентов углеродистых хондр, около 15 процентов тугоплавких включений (CAI и AOA) и от 10 до 24 процентов металлических зерен.

Эта смесь согласуется с наблюдаемыми изотопными аномалиями хрома-54 и титана-50. Земля содержит существенно больше тугоплавких оксидов, чем обычные метеориты, поскольку она захватила ранние минеральные конденсаты на начальном этапе своего роста, задолго до завершения формирования астероидных тел.

Численное интегрирование уравнений аккреции показало, что при типичной плотности твердого вещества в диске 1,2 килограмма на квадратный метр прото-Земля набирает от 0,35 до 0,7 своей современной массы всего за 2 миллиона лет.

Термохимический синтез воды в первичной атмосфере

Поскольку твердые частицы формировались внутри снеговой линии, они не содержали связанной воды. Следовательно, гидросфера планеты должна была возникнуть в результате внутренних физико-химических процессов.

Когда масса растущего тела превышает 0,3 массы Земли, его гравитационное поле становится достаточно мощным, чтобы удерживать вокруг себя плотную оболочку из газа протопланетной туманности — молекулярного водорода.

Непрерывное гравитационное оседание твердого вещества приводит к выделению энергии. В сочетании с теплоотдачей от образующегося магматического океана это создает сильный температурный градиент. В нижних слоях водородной атмосферы температура поднимается до 1500-2500 Кельвинов, а давление водорода превышает 200 атмосфер.

Силикатные частицы миллиметрового размера, падающие сквозь плотный газ, тормозятся до скорости в несколько метров в секунду и плавятся на высоте, превышающей радиус твердой поверхности в 1,5-1,7 раза. Оседание капель силикатного расплава сквозь горячий водородный слой продолжается от нескольких суток до десятков дней.

В этих условиях оксид железа, входящий в состав расплавленного силиката, восстанавливается молекулярным водородом: оксид железа в силикате реагирует с газообразным водородом с образованием металлического железа и водяного пара.

Для подтверждения этой реакции авторы провели серию лабораторных экспериментов. Образцы безводных базальтов срединно-океанических хребтов и богатых магнием пикробазальтов нагревали в печах до температур 1200-1450 градусов Цельсия в непрерывном потоке газообразного водорода. Выделяющуюся влагу собирали в криогенные ловушки, охлаждаемые жидким азотом, и измеряли взвешиванием. Твердые остатки исследовались методами электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа.

Эксперименты выявили следующие факты:

1. Скорость и полнота реакции: при температуре 1300 градусов Цельсия и выше за время от 15 минут до 3 часов до 80 процентов оксида железа переходит в металлическую форму с выделением эквивалентного объема водяного пара. В реальной протяженной атмосфере, где частицы оставались расплавленными много дней, реакция шла до достижения термодинамического равновесия (парциальное давление водяного пара достигало 32 бар при давлении водорода в 200 бар).
2. Экстракция фосфора в ядро: аосстановленное железо обособлялось в микроскопические капли металлического сплава. Анализ показал, что этот металл активно связывает фосфор, извлекая его из силиката (доля фосфора в каплях достигала 11 весовых процентов). В масштабах планеты эти капли опускались сквозь расплавленную магму вниз, входя в состав растущего ядра. Это объясняет, почему силикатная мантия Земли содержит в девять раз меньше фосфора, чем мантия Марса: земной фосфор был связан восстановленным железом и ушел на глубину.
3. Потери летучих элементов: из расплавленных силикатов интенсивно испарялись натрий (потери до 42 процентов) и сера (потери до 78 процентов). Это объясняет общий дефицит умеренно летучих элементов в мантии Земли: они переходили в газовую фазу и рассеивались в космическое пространство.
4. Изотопный состав водорода: водяной пар находился в термодинамическом равновесии с водородом туманности. Исходный водород протопланетного диска обладал очень низким содержанием дейтерия: отклонение изотопного отношения дейтерия к водороду составляло около минус 850 промилле относительно стандартной океанической воды. Высокотемпературная реакция сдвигала это значение к минус 800 промилле.

После рассеяния протопланетного диска интенсивное коротковолновое излучение молодого Солнца привело к потере водородной оболочки. Водород как более легкий газ рассеивался в космос быстрее дейтерия. Расчеты показывают, что потеря 80-90 процентов первичного водорода в ходе гидродинамического истечения сдвигает изотопный состав оставшейся воды до значений от минус 80 до минус 40 промилле, что соответствует составу современных земных океанов.

Суммарно реакция способна была дать объем воды, эквивалентный десяткам и сотням масс современного Мирового океана. Часть этой воды растворилась в мантийном магматическом океане, часть улетучилась вместе с водородом, а оставшийся объем сконденсировался на поверхности после остывания коры.

Причины различий между планетами земной группы

Та же физическая модель объясняет разнообразие планет внутренней части Солнечной системы:

Меркурий (0,39 астрономической единицы)

Вблизи Солнца орбитальная скорость максимальна, поэтому Меркурий первым преодолел пороговую массу и перешел к быстрому захвату твердых частиц. В этой зоне температура диска позволяла конденсироваться металлическим частицам, а напряженность магнитного поля Солнца была максимальной (она убывает пропорционально кубу расстояния). Намагниченные частицы железа эффективно соединялись в более крупные агрегаты с высокими числами Стокса (около 10⁻¹). Силикатные же частицы в этой сухой области слипались хуже. В результате Меркурий быстро присоединил к себе доступные металлические фракции, тогда как силикатов ему досталось мало. Этим объясняется аномально высокая плотность планеты и крупная масса ее металлического ядра (до 60 процентов от общей массы).

Венера (0,72 астрономической единицы) и Земля (1,0 астрономическая единица)

Обе планеты формировались в области, куда беспрепятственно поступал большой поток углеродистых хондр из внешней части диска. Обе планеты превысили предел в 0,3 массы Земли, сформировали водородные оболочки, расплавили оседающие силикаты и синтезировали воду. Венера захватила больше тугоплавких включений (до 22 весовых процентов), так как располагалась ближе к области их конденсации.

Марс (1,52 астрономической единицы)

Марс находился вблизи орбиты растущего Юпитера. Массивное ядро Юпитера быстро сформировало кольцевой разрыв в диске и создало зону повышенного давления газа, которая остановила движение твердых частиц из внешней области системы к внутренним планетам.

Приток углеродистого вещества к орбите Марса прекратился. Планета сформировалась преимущественно из местных обыкновенных хондр (от 60 до 90 весовых процентов). Марс не достиг массы в 0,3 массы Земли, не смог удержать плотную водородную атмосферу, и оседавшие на него частицы не плавились. Поэтому реакция восстановления железа на Марсе не запустилась: его мантия сохранила высокое содержание оксида железа и фосфора, а сама планета осталась маломассивной (около 11 процентов массы Земли).

Расчеты показали прямую зависимость: доля металлической фракции в планетах земной группы обратно пропорциональна квадрату их расстояния от Солнца.

Выводы для поиска экзопланет

Новая теория меняет представления о возникновении планетных систем:

Главный вывод исследования заключается в том, что наличие воды на каменистых телах не является следствием редких кометных ударов. Это закономерный термодинамический результат роста планет в водородсодержащем диске. Всякая планета, набравшая более трети земной массы в присутствии первичного газа, запускает реакцию восстановления оксидов железа и неизбежно производит водяной пар. Это объясняет, почему спектроскопические наблюдения телескопа «Джеймс Уэбб» регулярно выявляют присутствие воды в атмосферах экзопланет сопоставимого размера. Вода оказывается не привнесенным элементом, а естественным продуктом формирования планетной коры и ядра.

Источник: University of New Mexico Digital Repository