|
Как на Меркурии сформировались графитовая кора и ядро
|
|
|
|
В то время как миссия BepiColombo готовится к заключительному этапу своего пути к Меркурию, серия исследований, проведенных учеными из Льежского университета и Лёвенского католического университета, проливает свет на ранние этапы эволюции ближайшей к Солнцу планеты. С помощью экспериментальной петрологии исследователи воссоздают в лабораторных условиях формирование ядра Меркурия, кристаллизацию его магматического океана и образование мантии. Результаты исследований опубликованы в журналах Earth and Planetary Science Letters, Nature Communications и Advances in Geochemistry and Cosmochemistry.
|
|
|
|
Планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс) сформировались в результате более чем четырех миллиардов лет эволюции, начавшейся с аккреции вещества из диска, окружавшего молодое Солнце. На ранних этапах эволюции выделяемое Солнцем тепло привело к расплавлению этих планет, в результате чего образовался так называемый магматический океан.
|
|
|
|
Этот ключевой этап определяет распределение элементов между металлическим ядром и мантией. По мере кристаллизации магматический океан формирует твердую мантию, частичное плавление которой впоследствии приводит к образованию магмы, формирующей кору. На этом же этапе может сформироваться первичная атмосфера.
|
|
|
|
|
|
|
На сегодняшний день с Меркурия не было доставлено ни одного образца, и ни один метеорит не был связан с этой планетой. Таким образом, наши знания о ее составе основаны на наблюдениях с помощью телескопов и данных, полученных американскими зондами «Маринер-10» (1973) и «Мессенджер» (2011).
|
|
|
|
Однако для реконструкции истории планеты ученые прибегают к помощи экспериментальной петрологии. Эта отрасль геологии позволяет ученым воспроизводить в лабораторных условиях температуры, давление и химические условия, которые преобладали внутри планеты более четырех миллиардов лет назад, а затем анализировать минералы, металлы и газы, из которых состоят различные слои планеты.
|
|
|
|
Именно с помощью этих методов группы ученых под руководством Бернара Шарлье (Университет Льежа) и Оливье Намюра (Лёвенский католический университет) провели обширную серию экспериментов при высоких температурах и давлениях. Они смоделировали и проследили за поведением углерода при отделении металлического ядра от силикатной магмы мантии при температурах от 1250 °C (2282 °F) до 2170 °C (3938 °F) и давлениях, соответствующих тем, что наблюдаются в недрах планет.
|
|
|
|
Углерод меняет свои свойства в зависимости от условий...
|
|
|
|
На основании полученных результатов ученые пришли к выводу, что поведение углерода сильно зависит от степени окисления окружающей среды, измеряемой по фугитивности кислорода (fO2). «В относительно окислительных условиях углерод проявляет сильную сидерофильность», — объясняет Шарлье, геолог из Льежского университета.
|
|
|
|
«Другими словами, углерод предпочитает взаимодействовать с металлами и поэтому попадает в ядро. Но в сильно восстановительных условиях, характерных для Меркурия, он становится гораздо менее сидерофильным (то есть притягивается к металлам) и остается в силикатной магме, где в конечном итоге кристаллизуется в виде графита».
|
|
|
|
На основе этих экспериментов ученые реконструировали распределение углерода между ядром, мантией, корой и первичной атмосферой Меркурия. Сопоставив эти результаты с толщиной графитовой коры, рассчитанной на основе данных зонда MESSENGER, они смогли определить условия, которые преобладали во время формирования планеты, — несомненно, это была среда с чрезвычайно низким содержанием кислорода.
|
|
... и графитовая кора, образовавшаяся в результате флотации.
|
|
|
|
"В таких экстремальных условиях графит слишком легкий, чтобы опуститься на дно. Он плавает на поверхности магматического океана и накапливается, образуя первичную кору", — добавляет Намур, тоже геолог. «Модель воспроизводит графитовую кору толщиной примерно 40–120 метров (130–390 футов), что соответствует богатому углеродом слою (от 1% до 3% по массе), который, согласно наблюдениям, присутствует на поверхности Меркурия». Эта первичная кора была разрушена и перераспределена в результате падения метеоритов и вулканической активности, сформировавшей более позднюю кору планеты.
|
|
|
|
Геодезические данные, полученные аппаратом MESSENGER, также указывают на то, что в исключительно большом ядре (на долю которого приходится около 70% массы планеты) должно содержаться несколько процентов лёгких элементов, чтобы компенсировать дефицит массы. «В качестве одного из возможных кандидатов рассматривался углерод, — продолжает Намур. — Однако исследование показывает, что даже в тех условиях, при которых могла сформироваться графитовая кора, содержание углерода в ядре остаётся низким — менее 5000 микрограммов на грамм, или менее 0,5%. Такая концентрация слишком мала, чтобы объяснить наблюдаемый дефицит».
|
|
|
|
Таким образом, лёгкими элементами ядра являются в основном кремний и, в меньшей степени, сера. У этих элементов есть ещё одно свойство: они значительно снижают температуру плавления железа, что может объяснить, почему ядро Меркурия остаётся хотя бы частично жидким уже 4,5 миллиарда лет — это свойство необходимо для поддержания его магнитного поля.
|
|
|
|
Это исследование, связывающее крайнюю степень химического восстановления Меркурия с его графитовой корой и структурой ядра, даёт полезную основу для понимания других тел с высокой степенью химического восстановления: изначального, более массивного прото-Меркурия, гипотетических «супер-Меркуриев», некоторых богатых углеродом экзопланет и ранней Земли, которая в значительной степени состояла из восстановленных материалов.
|
|
|
|
«Будущие наблюдения, в частности в рамках таких миссий, как BepiColombo, могут подтвердить наличие графита на поверхности Меркурия и определить его количественное содержание», — заключил Шарлье.
|
|
|
|
Источник
|
