Земля сама выработала большую часть своей воды еще в процессе роста планеты

Вода покрывает более семидесяти процентов поверхности Земли и служит основой для всей известной нам жизни. Однако для планетологов само наличие такого количества воды на нашей планете долгое время оставалось нерешенной задачей. Проблема заключается в условиях, при которых формировалась Солнечная система четыре с половиной миллиарда лет назад.

Когда вокруг молодого Солнца образовалось вращающееся облако из газа и пыли, температура в разных его частях сильно различалась. Вблизи молодой звезды было слишком горячо для того, чтобы вода могла существовать в виде льда. Любая влага в этой зоне мгновенно превращалась в пар и выдувалась солнечным излучением на далекие и холодные окраины системы.

Земля формировалась именно в этой внутренней, горячей области. Это означает, что твердые частицы пыли и камня, из которых собиралась наша планета, были совершенно сухими. По всем расчетам молодая Земля должна была сформироваться безводным каменным телом. Тем не менее сегодня на ней существуют огромные океаны.

Новое исследование геохимиков из Университета Нью-Мексико, опубликованное в научном журнале Nature Geoscience, предлагает прямое и проверяемое объяснение этого явления. Авторы работы экспериментально доказали, что Земле не требовалось получать готовую воду из космоса. Планета могла произвести ее сама прямо в процессе своего роста — за счет простых химических реакций между сухим камнем и газами своей первичной атмосферы.

Почему прежняя гипотеза не давала полного ответа

На протяжении многих десятилетий наука объясняла появление земных океанов доставкой воды извне. Логика этой гипотезы строилась на том, что за пределами орбиты Марса, где солнечное тепло было слабым, водяной лед сохранялся в огромных количествах. Там формировались ледяные кометы и богатые водой метеориты.

Предполагалось, что уже после того, как Земля почти полностью сформировалась и остыла, гравитация крупных планет — прежде всего Юпитера — нарушила орбиты этих далеких ледяных тел. В результате они устремились во внутреннюю часть Солнечной системы и на протяжении миллионов лет сталкивались с Землей, постепенно наполняя ее будущие океаны.

Эта версия долго оставалась основной, но по мере накопления новых данных у ученых возникало к ней все больше вопросов. Во-первых, оставалось не до конца понятным, каким образом такое огромное количество материала смогло преодолеть гигантские расстояния от внешних границ Солнечной системы до орбиты Земли. Компьютерные модели движения планет показывали, что вероятность настолько масштабной доставки льда не так высока, как считалось ранее.

Во-вторых, доставка воды кометами и метеоритами не могла полностью объяснить общий химический состав современной Земли. Если бы вся вода прибыла на планету из холодных областей космоса в составе ледяных тел, вместе с ней на Землю попало бы определенное количество других химических элементов и их разновидностей, характерных для окраин Солнечной системы. Однако реальный состав земных пород и воды расходится с этими расчетами. Стало очевидно, что планетологии не хватает какого-то другого, более естественного источника воды, который находился бы прямо здесь, на самой формирующейся Земле.

Как растут планеты и откуда берется первичная атмосфера

Чтобы понять, как Земля могла самостоятельно выработать воду, необходимо обратиться к современным представлениям о том, как именно растут каменистые планеты.

Долгое время считалось, что планеты формируются постепенно, путем столкновения относительно крупных каменных тел размером от нескольких километров до тысяч километров в поперечнике. Однако около десяти лет назад в науке о планетах появилась новая модель, которая решила многие противоречия старой теории. Этот процесс получил название «галечной аккреции» — то есть роста планеты за счет притяжения мелких каменных частиц.

Суть этого процесса проста: в газопылевом облаке вокруг молодой звезды пылинки сначала слипаются в мелкие камешки размером от нескольких миллиметров до нескольких десятков сантиметров. Когда в этом облаке появляется достаточно крупный зародыш будущей планеты, его гравитация начинает активно притягивать эти мелкие камни из окружающего пространства. На растущую планету начинает непрерывно падать плотный поток каменных частиц, за счет чего она очень быстро набирает массу.

По мере того как молодая Земля росла таким способом и становилась все более массивной, ее сила притяжения увеличивалась. В определенный момент гравитация планеты стала настолько сильной, что Земля начала притягивать и удерживать не только твердые камни, но и легкий газ из окружающего космического пространства.

Основным газом в молодой Солнечной системе был водород — самый распространенный элемент во Вселенной. В результате вокруг еще растущей Земли образовалась очень плотная, тяжелая атмосфера, состоящая главным образом из водорода. Поскольку сама планета постоянно разогревалась от падения камней, а плотная газовая оболочка не давала этому теплу уходить в космос, у поверхности Земли создались условия с высоким давлением и температурой свыше тысячи градусов Цельсия.

Скрытый кислород внутри сухого камня

На первый взгляд кажется, что в раскаленной атмосфере из водорода, куда падают сухие камни, воде взяться неоткуда. Однако с точки зрения химии в этой системе уже присутствовали оба компонента, необходимые для создания молекулы воды.

Вода состоит из водорода и кислорода. Водород в избытке находился в самой атмосфере молодой планеты. А кислород в огромном количестве содержался внутри тех самых сухих каменных частиц, которые непрерывно падали на Землю из космоса.

Дело в том, что обычные горные породы, из которых состоят каменистые планеты, представляют собой соединения кремния, магния, железа и кислорода (в геологии такие породы называют силикатами). Кислород в них не является газом — он прочно связан с другими элементами, в том числе с железом, образуя в составе породы оксид железа. Таким образом, даже совершенно сухой камень по своей массе почти наполовину состоит из атомов кислорода.

Исследователи из Университета Нью-Мексико — аспирантка Сусмита Гарай, директор департамента наук о Земле и планетах профессор Закари Шарп и профессор Питер Олсон — предположили, что при падении мелких камней сквозь раскаленную водородную атмосферу между породой и газом должна была неизбежно происходить химическая реакция.

Когда мелкие каменные частицы входили в плотную горячую атмосферу ранней Земли, они мгновенно нагревались и начинали плавиться. В этих условиях горячий атмосферный водород вступал в контакт с оксидом железа внутри породы. При высокой температуре водород способен отбирать атомы кислорода у железа. В результате такой реакции оксид железа разрушается: железо превращается в чистый металл, а соединившиеся водород и кислород образуют обычную воду в виде пара.

Лабораторная проверка гипотезы

Теоретические расчеты показывали, что такой процесс возможен, но ученые не знали главного: насколько быстро идет эта реакция и какое количество воды она способна дать в реальности. Чтобы получить точные цифры, научной группе потребовалось воспроизвести условия ранней Земли в лаборатории.

Сусмита Гарай разработала и провела серию сложных высокотемпературных экспериментов. Исследователи взяли образцы горных пород, содержащих оксид железа, которые по своему составу соответствовали строительному материалу молодой Земли. Эти образцы помещали в специальную печь и нагревали до температур от 1200 до 1400 градусов Цельсия — именно при таких температурах плавятся каменные породы в плотной атмосфере растущей планеты.

Через расплавленные образцы пропускали поток водорода. Чтобы точно определить, сколько времени требуется для реакции, продолжительность разных опытов меняли от пятнадцати минут до трех часов. Кроме того, ученые провели контрольную серию экспериментов: они точно так же нагревали породу до 1400 градусов, но вместо водорода продували через нее гелий — газ, который не вступает в химические реакции. Это было необходимо для того, чтобы убедиться, что порода не меняется просто от сильного нагрева.

Результаты оказались однозначными. В контрольных опытах с гелием ничего не происходило: оксид железа оставался неизменным, и вода не выделялась.

В экспериментах с водородом картина была совершенно иной. Реакция начиналась практически мгновенно. Вода образовывалась буквально за считанные минуты в условиях высокой температуры. За время проведения опытов почти восемьдесят процентов всего оксида железа, содержавшегося в каменных образцах, превратилось в чистое металлическое железо, а освободившийся кислород соединился с водородом, образовав водяной пар.

Двойной результат: формирование ядра и создание океанов

Эксперименты группы Закари Шарпа и Сусмиты Гарай выявили удивительную эффективность этого процесса. Как отметил сам профессор Шарп, исследователи надеялись получить в ходе опытов металлическое железо и воду, но не могли заранее предположить, насколько быстрой и масштабной окажется эта реакция.

Когда ученые пересчитали полученные в лаборатории цифры на размеры и массу формирующейся Земли, выяснилось, что за время роста планеты таким способом могло выработаться гигантское количество воды — по объему оно сопоставимо с сотнями современных мировых океанов. Разумеется, на сегодняшней Земле воды гораздо меньше: на ранних этапах развития планеты большая часть легкой водородной атмосферы вместе с излишками водяного пара улетучилась в космическое пространство. Но даже той малой доли воды, которая осталась и сконденсировалась после остывания планеты, с избытком хватило на формирование всех земных морей и океанов.

Не менее важно и то, что этот химический процесс одновременно объясняет другое фундаментальное свойство нашей планеты — наличие у Земли огромного железного ядра. Когда водород забирал кислород у падающих каменных частиц, в расплавленной породе оставалось чистое металлическое железо. Поскольку чистый металл значительно тяжелее остальной каменной породы, это железо под действием силы тяжести опускалось вглубь растущей планеты, формируя ее центральное ядро. А легкий водяной пар поднимался вверх, насыщая атмосферу. Таким образом, разделение Земли на металлическое ядро и каменную оболочку и появление на ней воды оказались частями одного и того же химического процесса.

Что это меняет в поисках обитаемых планет во Вселенной

Выводы исследователей из Университета Нью-Мексико имеют прямое отношение не только к истории Земли, но и к изучению планет у других звезд.

До сих пор при оценке того, может ли далекая планета быть пригодной для жизни, астрономы сталкивались с серьезной неопределенностью. Даже если каменистая планета размером с Землю находилась на подходящем расстоянии от своей звезды, где температура позволяет воде оставаться жидкой, это еще не означало, что на ней действительно есть вода. Если придерживаться старой гипотезы о доставке воды кометами, то для появления океанов в звездной системе должно было совпасть множество случайных условий: наличие ледяных окраин, присутствие крупных планет на нужных орбитах и правильное направление гравитационных выбросов. В такой картине мира богатая водой Земля могла оказаться редким исключением.

Новый механизм полностью меняет эту логику. Для образования воды из камня и водорода не требуется никаких редких совпадений или внешних источников. Водород присутствует в любом газопылевом облаке вокруг любой молодой звезды. Каменная пыль, содержащая оксид железа, — это тоже стандартный материал, из которого строятся все каменистые планеты во Вселенной.

Следовательно, процесс накопления мелких каменных частиц в плотной водородной атмосфере должен происходить везде, где формируются планеты земного размера. Как подчеркивает Закари Шарп, этот механизм показывает, что практически любая планета размером с Землю должна естественным образом вырабатывать воду в процессе своего формирования.

Авторы работы отмечают, что их открытие не отменяет полностью падение комет и метеоритов на молодую Землю — внешние тела, безусловно, тоже принесли какую-то часть воды и других веществ. Чтобы точно установить, какая именно доля земных океанов возникла в первичной атмосфере, а какая была доставлена из космоса, потребуются дальнейшие исследования и расчеты.

Однако главный вывод очевиден уже сейчас: растущая каменистая планета способна сама обеспечить себя водой на самом раннем этапе своего существования. Это означает, что миры, обладающие океанами и потенциально пригодные для зарождения жизни, должны встречаться в нашей Галактике гораздо чаще, чем предполагалось ранее.

Источник: Nature Geoscience