Огромный глобальный океан мог покрывать раннюю Землю во время раннего архейского эона, от 4 до 3,2 миллиардов лет назад, что является побочным эффектом наличия более горячей мантии, чем сегодня, согласно новому исследованию.
Новые результаты бросают вызов более ранним предположениям о том, что размер глобального океана Земли оставался постоянным с течением времени, и предлагают ключи к разгадке того, как его размер мог меняться в течение геологического времени, согласно авторам исследования.
Большая часть поверхностных вод Земли находится в океанах. Но есть второй резервуар воды глубоко в недрах Земли, в форме водорода и кислорода, прикрепленных к минералам в мантии.
Новое исследование в AGU Advances, которое публикует высокоэффективные исследования и комментарии в открытом доступе по наукам о Земле и космосе, оценивает, сколько воды потенциально может содержать мантия сегодня и сколько воды она могла бы хранить в прошлое.
Выводы показывают, что, поскольку ранняя Земля была более горячей, чем сегодня, ее мантия могла содержать меньше воды, потому что минералы мантии удерживают меньше воды при более высоких температурах. Если предположить, что масса мантии в настоящее время более чем в 0,3-0,8 раза превышает массу океана, в раннем архее мог существовать более крупный поверхностный океан. В то время температура мантии составляла около 1 900-3 000 градусов Кельвина (2 960-4 940 градусов по Фаренгейту) по сравнению с 1 600-2 600 градусов Кельвина (2 420-4 220 градусов по Фаренгейту).) сегодня.
Если бы на ранней Земле был океан большего размера, чем сегодня, это могло бы изменить состав ранней атмосферы и уменьшить количество солнечного света, отражаемого обратно в космос, по мнению авторов. Эти факторы повлияли бы на климат и среду обитания, которые поддерживали первую жизнь на Земле.
«Иногда легко забыть, что недра планеты на самом деле важны для того, что происходит на поверхности», - сказала Ребекка Фишер, физик-минерал из Гарвардского университета и соавтор нового исследования. «Если мантия может удерживать столько воды, она должна уйти куда-то еще, поэтому то, что происходит в тысячах километров под поверхностью, может иметь довольно серьезные последствия».
Уровень моря на Земле оставался довольно постоянным в течение последних 541 миллиона лет. Однако уровень моря в более ранние периоды истории Земли оценить сложнее, потому что от архейской эпохи сохранилось мало свидетельств. В течение геологического времени вода может перемещаться с поверхности океана внутрь через тектонику плит, но размер этого водного потока не совсем понятен. Из-за отсутствия информации ученые предположили, что размер мирового океана оставался постоянным в течение геологического времени.
В новом исследовании соавтор Цзюньцзе Донг, физик-минерал из Гарвардского университета, разработал модель для оценки общего количества воды, которое потенциально может храниться в мантии Земли, исходя из ее температуры. Он объединил существующие данные о том, сколько воды могут хранить различные минералы мантии, и рассмотрел, какие из этих 23 минералов могли встречаться на разных глубинах и в разное время в прошлом Земли. Затем он и его соавторы связали эти оценки запасов с объемом поверхностного океана по мере охлаждения Земли.
Джун Коренага, геофизик из Йельского университета, не участвовавший в исследовании, сказал, что ученые впервые связали данные физики минералов о запасах воды в мантии с размером океана. «Раньше эта связь никогда не поднималась», - сказал он.
Донг и Фишер отмечают, что их оценки емкости мантии для хранения воды содержат много неопределенностей. Например, ученые не до конца понимают, сколько воды может храниться в бриджманите, основном минерале мантии.
Новые результаты проливают свет на то, как глобальный океан мог измениться с течением времени, и могут помочь ученым лучше понять круговорот воды на Земле и других планетах, что может быть полезно для понимания того, как может развиваться жизнь.
«Безусловно, полезно знать количественные данные об эволюции глобального водного баланса», - сказала Сюзан ван дер Ли, сейсмолог из Северо-Западного университета, которая не участвовала в исследовании. «Я думаю, что это важно для сейсмологов, таких как я, которые делают изображения современной структуры мантии и оценивают ее содержание воды, но это также важно для людей, которые ищут водоносные экзопланеты и спрашивают о происхождении нашей воды.."
Донг и Фишер теперь используют один и тот же подход для расчета того, сколько воды может содержаться внутри Марса.
«Сегодня Марс выглядит очень холодным и сухим», - сказал Донг. «Но многие геохимические и геоморфологические данные свидетельствуют о том, что ранний Марс мог содержать некоторое количество воды на поверхности - и даже небольшой океан - поэтому есть большой интерес к пониманию круговорота воды на Марсе."