На скалистых планетах неизбежно образуются большие массы воды

Авторы обнаружили механизм образования воды на древней Земле, который раньше не принимался во внимание.

Фото NASA.

Газообразный водород, окружавший формирующиеся тела Солнечной системы, стал частью океанов нашей планеты.

Иллюстрация NASA.

Расплавленная магма на поверхности формирующийся Земли захватывала водород из первичной атмосферы.

Иллюстрация J. Wu, S Desch/ASU.

Американские учёные пересмотрели механизм образования воды на древней Земле. Это привело их к выводу, что существует мощный источник живительной влаги, который "работает" для любых миров земного типа.

Подробности исследования изложены в научной статье, опубликованной в издании Journal of Geophysical Research: Planets группой из Аризонского университета во главе с Питером Бусеком (Peter Buseck).

Откуда на Земле взялась вода? Безусловно, значительная её часть содержалась в веществе, из которого образовалась планета. "Законсервированные" образцы подобного материала доступны для изучения благодаря астероидам и метеоритам, которые почти не изменились со времён рождения Солнечной системы ( в отличие от нашего мира с его бурной геологической деятельностью). Кстати, падающие на юную планету метеориты, астероиды и кометы тоже могли принести с собой немало влаги.

Однако есть ещё один возможный источник H2O.

"Поскольку вода – это водород плюс кислород, а кислород [представлен на планете] в изобилии, любой источник водорода мог бы послужить источником воды для Земли", – объясняет соавтор работы Стивен Деш (Steven Desch).

Но ведь подавляющая часть вещества во Вселенной – это и есть водород. Такая "монополия" объясняется тем, что атом этого элемента простейший из возможных.

Доминировал этот газ и в облаке, из которого образовалось Солнце и планеты. Это скопление вещества авторы предпочитают именовать солнечной туманностью.

В эпоху, когда в Солнечной системе уже образовались твёрдые частицы и начался долгий процесс их слипания в крупные тела, в окружающем облаке всё ещё было вдоволь водорода. По общей массе там его было гораздо больше, чем в образовавшихся крупицах твёрдых пород. Что, если молодые тела Солнечной системы поглощали этот газ, а при соединении с кислородом он впоследствии стал водой?

"[Версии о водороде] солнечной туманности уделялось наименьшее внимание среди существующих теорий, хотя она (туманность – прим. ред.) была преобладающим резервуаром водорода в ранней Солнечной системе", – констатирует первый автор статьи Цзюнь У (Jun Wu).

Почему же так получилось? Ведь, казалось бы, нужно всего лишь соединить с кислородом основной компонент космической "строительной смеси", и получится сколько угодно воды. Ответ кроется в изотопном составе вещества.

Газообразный водород, окружавший формирующиеся тела Солнечной системы, стал частью океанов нашей планеты.
Газообразный водород, окружавший формирующиеся тела Солнечной системы, стал частью океанов нашей планеты.
Иллюстрация NASA.

В подавляющем большинстве случаев ядро атома водорода представляет собой одиночный протон. Однако существует также изотоп водорода, у которого в ядре есть ещё и нейтрон. Он называется дейтерием и обозначается D.

Соотношение числа атомов дейтерия и обычного водорода называется отношением D/H. В воде поверхности планеты, а также в её мантии, оно составляет 150 частиц на миллион (150 ppm). В воде метеоритов – почти столько же, 140 ppm. У комет этот показатель выше, от 150 до 300 ppm. А вот для водорода солнечной туманности он, по расчётам специалистов, был равен всего 21 ppm.

Такой факт говорит о том, что поглощение газообразного водорода будущей Землёй на стадии так называемого планетного зародыша никак не могло быть основным источником этого элемента. И большинство специалистов попросту сбросило данный резервуар со счетов. Процесс возможного поглощения газообразного водорода на ранних стадиях развития Земли был практически не изучен.

Команда Бусека закрыла этот пробел. Она рассчитала, каким образом наша формирующаяся планета могла бы захватить дополнительный водород из окружающего её газа, и насколько это пополнило бы её "водородные запасы". В общих чертах картина выглядит так.

Изначально соотношение D/H в зародыше Земли было одинаковым по всему объёму: 140 ppm, как в веществе современных астероидов.

В возрасте двух миллионов лет для будущей Земли наступил важный момент: её масса достигла 40% современной земной. Этого оказалось достаточно, чтобы её недра под действием собственной гравитации разделились на тяжёлое ядро и менее плотную мантию. Большая часть железа мигрировала к центру зародыша, увлекая за собой в растворённом виде 60% всех запасов водорода.

При этом тело престало быть однородным по отношению D/H. Породы мантии более склонны захватывать дейтерий, чем металл ядра. Поэтому в мантии был достигнут уровень 150–160 ppm, а в ядре – 125–135 ppm.

Одновременно начался захват дополнительного водорода, продолжавшийся несколько миллионов лет. Поверхность будущей Земли была покрыта океаном жидкой магмы. Источником нагрева был, во-первых, распад радиоактивных элементов, а во-вторых, многочисленные столкновения с другими планетными зародышами. Эта магма захватывала газы из окружающей первичной атмосферы. Постепенно она перемешивалась с нижележащей мантией, обогащая её растворённым водородом.

Расплавленная магма на поверхности формирующийся Земли захватывала водород из первичной атмосферы.
Расплавленная магма на поверхности формирующийся Земли захватывала водород из первичной атмосферы.
Иллюстрация J. Wu, S Desch/ASU.

Таковы результаты расчётов, но соответствуют ли они действительности? Этот вопрос поддаётся проверке.

"Мы полагаем, что, помимо водорода, захваченного [планетным] зародышем, из ранней солнечной туманности также было захвачено некоторое количество углерода, азота и инертных газов. Они должны были оставить изотопные следы в химическом составе самых глубоких пород. Мы можем искать [эти следы]", – объясняет У.

Исследователи проверили свои выводы, используя опубликованные результаты коллег по соотношению D/H, а также изотопному составу неона и гелия в редких образцах, некогда поднявшихся на поверхность из мантии планеты. Соответствие получилось достаточно хорошим.

Из расчётов учёных также следует, что в недрах Земли скрывается больше водорода, чем предполагалось ранее.

"Наша планета скрывает большую часть своего водорода внутри: примерно два мировых океана в мантии, от четырёх до пяти в ядре и, конечно же, один мировой океан на поверхности <…>, – перечисляет У. – И несколько десятых долей океана состоит из водорода, пришедшего из солнечной туманности".

Таким образом, из каждой сотни молекул H2O на Земле несколько штук обязаны своим происхождением поглощению газообразного водорода горячей магмой на поверхности зарождающейся Земли.

Казалось бы, эта величина невелика. Однако этот тот случай, когда незначительная добавка имеет серьёзные последствия.

Дело в том, что в Галактике много скалистых планет. Вряд ли всем им, как Земле, повезло сформироваться из богатого водой вещества, да ещё и испытать обильную бомбардировку резервуарами влаги вроде комет и астероидов.

Однако механизм, предложенный авторами, будет работать и в случае, когда зарождающаяся планета находится "на сухом пайке". Протопланетный диск у любой звезды и в любых условиях богат газообразным водородом. Этот газ может быть захвачен формирующимися телами и стать основой будущих запасов H2O, а значит, предпосылкой для развития жизни. Как утверждают авторы, образование значительного количества воды на крупных скалистых планетах можно считать практически неизбежным процессом.

Напомним, что ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о землеподобных мирах, ещё более богатых влагой, чем земной шар. Также мы писали о том, что в ядро Земли могло влиться вещество нерождённых планет, и о гигантских резервуарах кислорода на границе ядра и мантии.