Откуда на Земле взялась вода, покрывающая сегодня большую часть её поверхности? Долгое время учёные искали ответ среди комет, астероидов и ледяных тел, способных доставить воду на молодую планету. Однако исследователи из Университета Нью-Мексико предложили другой механизм: значительное количество воды могло образоваться непосредственно во время роста Земли, когда падающие каменистые частицы взаимодействовали с горячей атмосферой, богатой водородом. Лабораторные эксперименты показали, что такая реакция действительно происходит и может быть удивительно быстрой.
Сегодня земные океаны содержат около 1,4 миллиарда кубических километров воды. Но примерно 4,5 миллиарда лет назад наша планета представляла собой совершенно иной мир, в котором происходили интенсивные столкновения, накопление вещества и нагревание горных пород. Температуры могли достигать значений, при которых значительная часть поверхности оставалась расплавленной. Возникновение огромных запасов воды в таких условиях долго представлялось одной из главных загадок планетологии.
Традиционные объяснения предполагают, что вода поступала вместе с материалом, содержащим лёд или связанные с минералами водородсодержащие соединения. Особенно важными кандидатами считаются некоторые типы астероидов, химический состав которых позволяет сопоставлять их с земными резервуарами воды. Кометы также рассматривались как возможные поставщики, хотя их вклад остаётся предметом исследований. Новая работа не исключает эти источники, а предлагает дополнительный путь образования воды из первоначально сухого каменистого материала.
В основе гипотезы лежит аккреция гальки — процесс, при котором растущая планета захватывает множество сравнительно небольших твёрдых частиц из окружающего газопылевого диска. Постепенно такие частицы увеличивают массу зародыша планеты. Когда он становится достаточно массивным, его гравитация позволяет удерживать плотную атмосферу из газов протопланетного диска. На ранних этапах она могла содержать значительное количество водорода.
Представьте молодую Землю, окружённую раскалённой газовой оболочкой, сквозь которую непрерывно падают каменистые частицы. В отличие от обычного дождя, здесь падают не капли воды, а твёрдые силикатные образования. При прохождении через горячую водородную среду содержащиеся в них минералы могут вступать в химические реакции. Именно такой своеобразный каменный дождь исследователи рассматривают как потенциальный источник будущих земных океанов.
Ключевую роль играет железо, присутствующее во многих силикатных породах в окисленной форме. При достаточно высокой температуре водород способен отнимать кислород у соединений железа. В результате образуется металлическое железо, а водород соединяется с кислородом, формируя воду. Для простейшего случая реакцию можно описать как взаимодействие оксида железа с водородом с образованием железа и водяного пара.
Чтобы проверить этот механизм, Сусмита Гарай, Закари Шарп и Питер Олсон провели серию высокотемпературных экспериментов. Образцы железосодержащих силикатных пород нагревали до 1200–1400 градусов Цельсия в атмосфере водорода. Для сравнения использовали гелий, который при аналогичных условиях не должен вызывать такого восстановления железа. Продолжительность опытов составляла от 15 минут до трёх часов.
Результаты оказались впечатляющими. В водородной среде почти 80% оксида железа в исследованных образцах превращалось в металлическое железо, одновременно образовывался водяной пар. В гелиевой атмосфере аналогичного превращения не наблюдалось. Это подтвердило, что решающим фактором выступает именно химическое взаимодействие водорода с кислородсодержащими компонентами породы.
Дополнительную информацию предоставила электронная микроскопия. В некоторых образцах исследователи обнаружили округлые металлические капли, возникшие при нагревании пород, содержащих фосфор. Их форма указывала на образование жидкого металлического расплава, хотя температура эксперимента была ниже температуры плавления чистого железа, составляющей 1538 градусов Цельсия. Присутствие других элементов способно снижать температуру плавления металлической смеси.
Особенно важной оказалась скорость процесса. Вода могла образовываться за считаные минуты, а не только в результате длительных геологических преобразований. Это означает, что при подходящих условиях химическое производство воды могло сопровождать само накопление планетарного вещества. По оценкам авторов, масштабирование такого механизма на раннюю Землю допускает образование количества воды, эквивалентного сотням современных океанов.
Однако эту оценку нельзя понимать как доказательство того, что на молодой Земле действительно существовали сотни океанов. Она характеризует потенциальный объём образования воды при определённых предположениях о составе вещества и условиях аккреции. Значительная часть водяного пара могла покинуть атмосферу, вступить в другие реакции или оказаться связанной внутри планеты. Реальное количество сохранившейся воды зависело от дальнейшей эволюции Земли.
Возникает и другой вопрос: если вода формировалась в раскалённой атмосфере, как появились жидкие океаны? Первоначально при высоких температурах она существовала бы преимущественно в виде пара. По мере охлаждения поверхности и изменения атмосферного давления часть воды могла конденсироваться и накапливаться в понижениях рельефа. Таким образом, химическое образование воды и возникновение океанов представляли бы собой разные этапы планетарной истории.
Исследование имеет значение и для поиска обитаемых миров за пределами Солнечной системы. Если растущие каменистые планеты способны удерживать водородные атмосферы, а их строительный материал содержит окисленное железо, аналогичные реакции потенциально могут происходить и там. Это расширяет представления о возможных источниках воды на экзопланетах. Однако наличие воды ещё не означает существования океанов или условий, пригодных для жизни.
Главное ограничение работы заключается в том, что лабораторный эксперимент воспроизводит отдельную химическую реакцию, а не всю историю формирования Земли. Учёным ещё предстоит определить, насколько распространены были необходимые условия и какую долю современной земной воды действительно обеспечил этот механизм. Для этого потребуются модели эволюции атмосферы, геохимические расчёты и сопоставление изотопного состава различных резервуаров воды.
Тем не менее открытие меняет сам подход к древней загадке. Вода могла быть не только веществом, доставленным на Землю из далёких холодных областей Солнечной системы, но и продуктом химических реакций, происходивших непосредственно во время рождения планеты. Если гипотеза подтвердится, наличие воды на каменистых мирах может оказаться гораздо более естественным следствием их формирования, чем считалось прежде.
А затем «Добавить на главный экран».
