|
Как вода впервые попала на Землю
|
|
|
|
Когда Земля только сформировалась, было слишком жарко, чтобы удерживать лед. Это означает, что вся вода на нашей планете, должно быть, произошла из внеземных источников. Исследования древних земных пород показывают, что жидкая вода существовала на Земле уже через 100 миллионов лет после образования Солнца – практически "сразу" по астрофизическим меркам. Возраст этой воды, которой сейчас более 4,5 миллиардов лет, постоянно обновлялся в ходе круговорота воды на Земле.
|
|
|
|
Моя исследовательская группа недавно предложила новую теорию, объясняющую, как вода впервые появилась на Земле. Наша статья опубликована в журнале Astronomy & Astrophysics.
|
|
Загадка, которой миллиарды лет.
|
|
|
|
Астрофизики десятилетиями ломали голову над вопросом о том, как вода попала на нашу молодую планету. Одна из самых ранних гипотез предполагала, что вода на Земле была прямым побочным продуктом формирования планеты, выделявшимся с помощью магмы во время извержений вулканов, при которых большая часть выделяющегося газа - это водяной пар.
|
|
|
|
Однако эта гипотеза получила развитие в 1990-х годах после анализа состава воды на Земле и открытия потенциальной роли ледяных комет, указывающих на внеземное происхождение. Кометы, которые представляют собой смесь льда и камня, образующуюся в отдаленных уголках Солнечной системы, иногда выбрасываются в сторону Солнца. При нагревании на солнце они образуют поразительные хвосты из пыли и газа, которые видны с Земли. Астероиды, расположенные в поясе астероидов между Марсом и Юпитером, также были предложены в качестве потенциальных прародителей земной воды.
|
|
|
|
|
|
|
Изучение кометных и астероидных пород с помощью метеоритов – небольших фрагментов этих тел, упавших на Землю, – дало ключевые результаты. Проанализировав соотношение D/H – соотношение тяжелого водорода (дейтерия) к стандартному водороду – ученые обнаружили, что земная вода в большей степени соответствует воде "углеродистых" астероидов, на которых в прошлом были обнаружены следы воды. Это сместило фокус исследований в сторону этих астероидов.
|
|
|
|
Недавние исследования были сосредоточены на выявлении небесных механизмов, которые могли доставить эти богатые водой астероиды на сухую поверхность ранней Земли. Появилось множество теорий, объясняющих "возмущение" планетезималей – крупных ледяных тел в поясах астероидов и Койпера. Эти сценарии предполагают гравитационное взаимодействие, которое сдвинуло эти объекты с места и направило их к Земле. Для таких событий потребовался бы сложный процесс "гравитационного бильярда", что свидетельствует о бурной истории Солнечной системы.
|
|
|
|
Хотя очевидно, что формирование планеты сопровождалось значительными потрясениями и ударами, возможно, что поступление воды на Землю происходило более естественным и менее драматичным образом.
|
|
Более простая гипотеза
|
|
|
|
Я начал с предположения, что астероиды образуются из ледяного кокона, также известного как протопланетный диск. Этот кокон представляет собой массивный, богатый водородом диск, заполненный пылью, в котором образуются планеты и первоначальные пояса. Он охватывает всю зарождающуюся планетную систему. Как только этот защитный кокон рассеивается – через несколько миллионов лет – астероиды нагреваются, в результате чего их лед тает или, точнее, сублимируется. В космосе, где давление почти равно нулю, вода после этого процесса остается в виде пара.
|
|
|
|
Затем на пояс астероидов, обращающийся вокруг Солнца, накладывается диск из водяного пара. По мере сублимации льда диск заполняется паром, который распространяется внутрь, к Солнцу, благодаря сложным динамическим процессам. По пути этот паровой диск сталкивается с внутренними планетами, погружая их в своего рода "ванну". В некотором смысле, диск "поливает" планеты земной группы: Марс, Землю, Венеру и Меркурий. Большая часть этой воды была захвачена через 20-30 миллионов лет после образования Солнца, в период, когда его яркость резко возросла за короткий промежуток времени, что привело к увеличению скорости дегазации астероидов.
|
|
|
|
Как только вода захватывается гравитационным притяжением планеты, может происходить множество процессов. Однако на Земле защитный механизм обеспечивает сохранение общей массы воды относительно постоянной с конца периода захвата до сегодняшнего дня. Если вода поднимается в атмосферу слишком высоко, она конденсируется в облака, которые в конечном итоге возвращаются на поверхность в виде дождя – процесс, известный как круговорот воды.
|
|
|
|
Количество воды на Земле, как в прошлом, так и в настоящем, хорошо задокументировано. Наша модель, которая начинается с дегазации льда из первоначального пояса астероидов, успешно учитывает количество воды, необходимое для образования океанов, рек и озер, и даже воды, находящейся глубоко в земной мантии. Точные измерения соотношения D/H воды в океанах также согласуются с нашей моделью. Более того, модель объясняет количество воды, присутствовавшей в прошлом на других планетах – и даже на Луне.
|
|
|
|
Возможно, вам интересно, как я пришел к этой новой теории. Она основана на недавних наблюдениях, в частности, сделанных с помощью ALMA, радиотелескопа с более чем 60 антеннами, расположенного в Чили, на плато в пяти километрах над уровнем моря. Наблюдения за внесолнечными системами с поясами, подобными поясу Койпера, показывают, что планетезимали в этих поясах сублимируют монооксид углерода (CO). В поясах, расположенных ближе к их звезде, таких как пояс астероидов, CO слишком изменчив, чтобы присутствовать, и более вероятно, что там будет выделяться вода.
|
|
|
|
Построение модели
|
|
|
|
Именно на основе этих открытий начала формироваться первоначальная идея теории. Более того, недавние данные, полученные в ходе миссий "Хаябуса-2" и "ОСИРИС-Рекс", которые исследовали астероиды, похожие на те, которые могли способствовать образованию первоначального диска из водяного пара, дали ключевое подтверждение.
|
|
|
|
Эти миссии, наряду с многолетними наблюдениями с наземных телескопов, выявили значительное количество гидратированных минералов на этих астероидах - минералов, которые могут образовываться только при контакте с водой. Это подтверждает предположение о том, что изначально эти астероиды были ледяными, хотя с тех пор большинство из них лишились льда (за исключением более крупных тел, таких как Церера).
|
|
|
|
После создания модели следующим шагом стала разработка численного моделирования для отслеживания процессов дегазации льда, рассеивания водяного пара и его возможного захвата планетами. В ходе моделирования быстро стало ясно, что модель может учитывать запасы воды на Земле. Дополнительные исследования о количестве воды на Марсе и других планетах земной группы в прошлом подтвердили применимость модели и к ним. Все совпало, и результаты были готовы к публикации.
|
|
|
|
Нам, исследователям, недостаточно разработать модель, которая работает и, как кажется, объясняет все. Теория должна быть проверена в более широком масштабе. Хотя сейчас невозможно обнаружить первоначальный диск из водяного пара, который "орошал" планеты земной группы, мы можем обратиться к внесолнечным системам с молодыми поясами астероидов, чтобы увидеть, существуют ли такие диски из водяного пара. Согласно нашим расчетам, эти диски, хотя и слабые, должны быть обнаружены с помощью ALMA. Наша команда только что выделила время на ALMA для изучения конкретных систем в поисках доказательств их существования.
|
|
|
|
Возможно, мы стоим на пороге новой эры в понимании происхождения воды на Земле.
|
|
|
|
Источник
|
