2367
Походження води на Землі давно лишається однією з ключових загадок її придатності до життя. Популярна ідея про доставку води кометами й астероїдами стикається з низкою часових та хімічних обмежень. Нове дослідження, описане в матеріалі Universe Today, пропонує інший механізм: молода Земля могла «зварити» власну воду в розпеченій водневій атмосфері під час випадіння на неї кам’яних пеблів.
Проблема «кометної» води
Комети й астероїди дійсно містять воду і в ранній історії Сонячної системи часто врізалися в Землю. Але сценарій, у якому вони приносять основну частину земної води, важко узгодити з кількома фактами: гігантським зіткненням, що утворило Місяць, пізнім важким бомбардуванням та складом елементів у мантії планети.
Водночас зростає розуміння, що кам’янисті планети на початку формування захоплюють із протопланетної туманності первинну оболонку з водню та гелію. Якщо Земля від народження мала багато водню, то для води бракувало лише джерела кисню. Нове дослідження показує, як цей кисень міг вивільнятися з кам’яної речовини, що падала на молоду планету.
«Дощ» пеблів у пекельній атмосфері
Робота має назву «Dry pebble rain could have delivered water to Earth through hydrogen reduction of iron oxide» і опублікована в Nature Geoscience. Її автори — Сусміта Ґарай (Susmita Garai), аспірантка Університету Нью-Мексико, та Закарі Шарп (Zachary Sharp), професор і директор кафедри наук про Землю та планети того ж університету.
За їхньою моделлю, коли маса протопланети перевищує приблизно 0,3 маси Землі, міліметрові та сантиметрові силікатні пебли (кам’яні «гальки») починають повільно осідати крізь густу воднево-гелієву атмосферу. Через це вони годинами або навіть днями залишаються розпеченими вище температури плавлення.
У таких умовах відбувається інтенсивне відновлення оксиду заліза (FeO) у цих пеблах. Водень виступає сильним відновником: він «забирає» кисень із FeO, перетворюючи його на металеве залізо, а в атмосферу вивільняється кисень, який одразу реагує з воднем і утворює водяну пару.
Додаткове тепло дає гравітаційна енергія осідання пеблів, а також океан магми, що вкриває поверхню молодої Землі. За розрахунками, температура біля поверхні могла перевищувати 3000 K (близько 1650 °C), а тиск — понад 200 бар, тобто майже 200 сучасних атмосфер.
Як це перевірили в лабораторії
Щоб оцінити, чи справді такий механізм здатен продукувати великі обсяги води, команда провела серію високотемпературних експериментів. Вони плавили мафічні та ультрамафічні силікатні породи — головні типи магматичних гірських порід, багатих на залізо й магній — у потоках газу з воднем (H₂) та, окремо, з гелієм (He).
Зразки нагрівали до 1200–1400 °C упродовж від 15 хвилин до трьох годин. Потоки газу імітували рух пеблів крізь атмосферу молодої Землі, насичену воднем або гелієм.
Результати виявилися разючими: у водневому середовищі майже 80% оксиду заліза у зразках перетворювалося на металеве залізо, при цьому утворювалася водяна пара. У гелії така реакція практично не відбувалася. Це підтвердило, що саме водень є ключовим чинником відновлення FeO й утворення води.
Ефективність процесу залежить від вмісту металу в пеблах. На основі експериментів і попередніх моделей складу пеблів (так звані композиції A та B) дослідники оцінили, скільки води може утворитися.
За їхніми розрахунками, часткове відновлення FeO в пеблах дає «величезні кількості» води: при піковій ефективності — сотні сучасних океанів для складу A і десятки океанів для складу B. Це значно більше, ніж об’єм нинішніх океанів, тож навіть за менш оптимальних умов механізм здатен пояснити наявність води на Землі.
Наслідки для Землі та інших світів
Як підкреслює Закарі Шарп, попередні гіпотези про походження води на Землі майже завжди покладалися на зовнішні джерела — комети чи метеорити. Новий механізм показує, що практично будь-яка планета розміром із Землю, яка формується в подібних умовах, може отримати воду завдяки «дощу» пеблів у водневій атмосфері.
Це має важливі наслідки не лише для історії нашої планети, а й для екзопланет. Якщо такий процес є типовим для кам’янистих світів, то багато з них можуть мати воду й потенційно бути придатними для життя. Автори припускають, що подібний механізм міг діяти й на Марсі, а також на планетах біля інших зірок.
Водночас це дослідження — лише перший крок. Воно демонструє, що механізм фізично можливий і може бути надзвичайно ефективним, але точна частка земної води, утвореної таким шляхом, поки невідома. На неї впливають, зокрема, втрати води з атмосфери в космос та винос пари назад у протопланетну туманність.
Автори наголошують, що вода, створена під час «дощу» пеблів, є раннім і фундаментальним етапом еволюції придатної до життя планети. Інші процеси — включно з ударами комет і астероїдів — теж могли зробити свій внесок. Пошук остаточної відповіді на питання, звідки взялася земна вода, триватиме, але нові експерименти суттєво зміщують акценти в бік «внутрішнього» походження океанів.
Моделювання показує як молода Земля могла сама створити воду з’явилася спочатку на Цікавості.
