Согласно новому исследованию, вода на Земле могла образоваться как из астероидного материала, так и из газа, оставшегося после образования Солнца. Новое открытие может дать ученым важную информацию о развитии других планет и их потенциале для поддержания жизни.
В новом исследовании, опубликованном в Journal of Geophysical Research: Planets, журнале Американского геофизического союза, исследователи предлагают новую теорию для решения давней загадки того, откуда на Земле взялась вода и как она сюда попала.
Новое исследование бросает вызов общепринятым представлениям о водороде в земной воде, предполагая, что этот элемент частично появился из облаков пыли и газа, оставшихся после образования Солнца, называемых солнечной туманностью.
Чтобы определить источники воды на Земле, ученые искали источники водорода, а не кислорода, потому что последний компонент воды гораздо более распространен в Солнечной системе.
Многие ученые исторически поддерживали теорию о том, что вся вода на Земле образовалась из астероидов из-за сходства между океанской водой и водой, обнаруженной на астероидах. Отношение дейтерия, более тяжелого изотопа водорода, к нормальному водороду служит уникальным химическим признаком источников воды. В случае земных океанов соотношение дейтерия и водорода близко к тому, что наблюдается в астероидах.
Но, по мнению авторов исследования, океан может не рассказывать всю историю о водороде на Земле.
«Это своего рода слепое пятно в сообществе», - сказал Стивен Деш, профессор астрофизики в Школе исследования Земли и космоса в Университете штата Аризона в Темпе, штат Аризона, и соавтор нового исследования., во главе с Питером Бусеком, профессором Риджентс в Школе исследования Земли и космоса и Школе молекулярных наук Университета штата Аризона.«Когда люди измеряют отношение [дейтерия к водороду] в океанской воде и видят, что оно довольно близко к тому, что мы наблюдаем в астероидах, всегда легко поверить, что все это произошло из-за астероидов».
Более недавние исследования показывают, что водород в океанах Земли не представляет собой водород на всей планете, говорят авторы исследования. Образцы водорода из глубины Земли, близко к границе между ядром и мантией, содержат заметно меньше дейтерия, что указывает на то, что этот водород не мог быть получен из астероидов. Благородные газы гелий и неон с изотопными сигнатурами, унаследованными от солнечной туманности, также были обнаружены в мантии Земли.
В новом исследовании исследователи разработали новую теоретическую модель формирования Земли, чтобы объяснить эти различия между водородом в земных океанах и на границе ядра и мантии, а также наличие благородных газов глубоко внутри планеты.
Моделирование начала Земли
Согласно их новой модели, несколько миллиардов лет назад большие заболоченные астероиды начали превращаться в планеты, в то время как солнечная туманность еще вращалась вокруг Солнца. Эти астероиды, известные как зародыши планет, сталкивались и быстро росли. В конце концов, столкновение дало достаточно энергии, чтобы расплавить поверхность самого большого зародыша в океан магмы. Этот самый большой эмбрион в конечном итоге станет Землей.
Газы из солнечной туманности, в том числе водород и инертные газы, были втянуты большим, покрытым магмой зародышем, чтобы сформировать раннюю атмосферу. Туманный водород, который содержит меньше дейтерия и легче астероидного водорода, растворился в расплавленном железе магматического океана.
В ходе процесса, называемого изотопным фракционированием, водород притягивался к центру молодой Земли. По словам авторов исследования, водород, который притягивается к железу, был доставлен в ядро металлом, в то время как большая часть более тяжелого изотопа, дейтерия, осталась в магме, которая в конечном итоге остыла и превратилась в мантию. Столкновения с более мелкими эмбрионами и другими объектами затем продолжали добавлять воду и общую массу, пока Земля не достигла своего окончательного размера.
Эта новая модель оставила Землю с инертными газами глубоко внутри мантии и более низким соотношением дейтерия к водороду в ее ядре, чем в ее мантии и океанах.
Авторы использовали модель для оценки того, сколько водорода поступает из каждого источника. Они пришли к выводу, что большая часть воды имеет астероидное происхождение, но часть воды на Земле действительно поступила из солнечной туманности.
«На каждые 100 молекул земной воды приходится одна или две из солнечной туманности», - сказал Цзюнь Ву, доцент-исследователь Школы молекулярных наук и Школы исследования Земли и космоса в Университете штата Аризона. ведущий автор исследования.
Проницательная модель
Исследование также предлагает ученым новые взгляды на развитие других планет и их потенциал для поддержания жизни, говорят авторы. Земноподобные планеты в других солнечных системах могут не иметь доступа к астероидам, наполненным водой. Новое исследование предполагает, что эти экзопланеты могли получать воду через собственную солнечную туманность своей системы.
«Эта модель предполагает, что неизбежное образование воды, вероятно, произойдет на любых достаточно больших каменистых экзопланетах во внесолнечных системах», - сказал Ву. «Я думаю, это очень интересно».
Анат Шахар, геохимик из Института науки Карнеги, который не участвовал в исследовании, отметил, что коэффициент фракционирования водорода, который описывает, как изменяется отношение дейтерия к водороду, когда элемент растворяется в железе, равен в настоящее время неизвестны и трудно поддаются измерению. Для нового исследования необходимо было оценить это свойство водорода.
Новая модель, которая хорошо согласуется с текущими исследованиями, может быть проверена, как только эксперименты выявят фактор фракционирования водорода, сказал Шахар.
«Эта статья - очень творческая альтернатива старой проблеме», - сказал Шахар. «Авторы проделали хорошую работу по оценке того, какими будут эти различные коэффициенты фракционирования, не проводя экспериментов».