Химические реакции на ранней Земле, возможно, сформировали ее океан — Ars Technica

Вода сделала Землю такой, какая она есть — планетой, известной своими голубыми океанами. Вода образует Землю в результате эрозии и имеет важное значение для способности Земли поддерживать жизнь. Но нам трудно понять, как именно вся эта вода оказалась на Земле, поскольку строительные блоки, которые ее создали, вероятно, высохли, а столкновения, превратившие эти строительные блоки в планету, должны были вытолкнуть любую поверхностную воду в космос. .

Предложены различные способы доставки воды на Землю после ее образования. Но новое исследование берет информацию, полученную при изучении экзопланет, и применяет ее к Земле. Результаты показывают, что химические реакции, которые должны были произойти во время формирования Земли, произвели достаточно воды, чтобы заполнить Мировой океан. И в качестве побочного эффекта модель объясняет несколько странную плотность ядра Земли.

водонепроницаемый

Земля, кажется, была создана в основном из материалов внутренней части Солнечной системы. Мало того, что этот материал находился в нужном месте, так еще и материал астероидов в регионе хорошо соответствовал их элементному и изотопному составу. Но этот материал также очень сухой. Это не удивительно. Температура в этом регионе не позволила бы воде сконденсироваться в твердое тело, поскольку она может существовать в Солнечной системе, за точкой, известной как «линия льда» воды.

Любая вода в космосе была бы потеряна, поскольку считается, что процесс строительства планет происходил в результате столкновений между небольшими телами, причем более крупные тела постепенно становились больше по мере того, как более мелкие тела продолжали сталкиваться с ними. Большая часть воды в этих объектах испарится и, возможно, будет потеряна в космосе.

Но трое исследователей (Эдвард Янг, Анат Шахар и Хильке Шлихтинг) сосредоточились на дополнительном факторе, который мог присутствовать при формировании Солнечной системы: водороде. Считается, что водород присутствует в больших количествах в ранний период формирования планет, но затем вытесняется излучением, высвобождаемым после воспламенения центральной звезды. В нашей Солнечной системе часть его была захвачена внешними планетами, прежде чем была потеряна. Но наши внутренние планеты, похоже, сформировались практически без элементов в начале своей истории.

Но взгляд на экзопланеты говорит о том, что это не неизбежная судьба. Мы нашли несколько суперкаменистых планет, у которых также отсутствует богатая водородом атмосфера. Но есть промежуток примерно в два раза больше земного радиуса, где мы видим много молодого Нептуна, который, похоже, сохранил плотную, вероятно, богатую водородом атмосферу. Это привело к предположению, что все каменистые планеты начинаются в среде, богатой водородом, и из нее формируют свои первые атмосферы. Но ниже определенного размера этот водород теряется позже в их истории. Любая атмосфера, присутствующая на этих планетах, вероятно, является результатом вторичного образования.

Доводя это до логического завершения, Земля, возможно, тоже начиналась с богатой водородом атмосферы. Поэтому исследователи, участвующие в новом исследовании, решили посмотреть, какими могут быть последствия такого сценария.

Планетарная химия

Чтобы исследовать эту идею, исследователи смоделировали гигантский химический реактор, заполненный большинством компонентов ранней Земли и увеличенный до размеров большого предшественника Земли (половина размера современной Земли). Сюда входят такие вещества, как оксиды железа, натрия, различные силикаты, углекислый газ, метан, кислород и многое другое. Все это было помещено в богатую водородом атмосферу и нагрето, чтобы отражать океаны магмы от повторяющихся столкновений, которые происходили во время формирования планет.

Этот период, вероятно, длился десятки миллионов лет, отчасти потому, что водородная атмосфера имеет тенденцию очень хорошо удерживать тепло (они могут действовать как парниковый газ). Это дает происходящим химическим реакциям — 18 из которых исследователи отследили — время для достижения равновесия и достаточно времени для того, чтобы различные материалы внутри планеты разделились в зависимости от плотности.

Одна из вещей, которая происходит, заключается в том, что многие элементы включаются в железное ядро, включая кислород, кремний и водород. Поскольку все они менее плотны, чем железо, это приводит к тому, что ядро ​​становится менее плотным, чем оно было бы, если бы это было чистое железо, что верно для настоящей Земли.

В некоторых реакциях синтез водорода включает вытеснение кислорода, а побочным продуктом этих реакций является вода. В изучаемых здесь условиях реакции производят такой же объем, как и в нынешних океанах Земли. «Даже если камни во внутренней части Солнечной системы полностью высохнут, — писали исследователи, — реакции между H.₂ Атмосфера и океаны магмы будут генерировать большое количество H₂O. Другие источники H₂О можно, но не обязательно.

пределы моделирования

С положительной стороны, симуляция работает с широким диапазоном температур — все, что требуется, — это достаточное количество тепла, чтобы поддерживать плавление планеты, в то время как описанные здесь процессы достигают равновесия. Он также работает для прекурсоров разного размера, но не работает, если прекурсор слишком мал. Это соответствует крайней сухости Марса и Меркурия. Первичная переменная заканчивается количеством производимой воды; Если бы в ядре оказалось больше водорода, он мог бы легко создать водный мир в три раза больше, чем сегодняшние океаны.

Хотя модель устойчива ко многим изменениям начальных условий, она ограничена тем, что не является полной картиной химии ранней Земли. Стоит отметить, что сера и азот играли важную роль в химии Земли.

Но большой пробел в модели — это то, что происходит после образования воды. Поскольку существует океан магмы, она попадет в атмосферу, где может быть отделена солнечным излучением и потеряна, если водород в Солнечной системе действительно рассеется. То же самое относится к любым последствиям, согревающим планету, например, к гигантскому удару, сформировавшему Луну. Если водорода еще достаточно, это не проблема, потому что вода может только восстанавливаться. Исследователи ссылаются на исследования, показывающие, что богатая водой атмосфера может выдержать даже сильное столкновение. Наконец, вы можете представить себе условия, при которых первоначально производился избыток воды, но в результате этих процессов было потеряно достаточно воды, чтобы Земля осталась в ее нынешнем состоянии.

Таким образом, если производство воды не требует тонкой настройки условий, то ее удержание может.

Но последствия для миров за пределами нашего собственного кажутся немного большими. Эти результаты показывают, что при формировании каменистых планет вода должна была образовываться при самых разных начальных условиях. Поэтому, когда мы думаем о планетах в экзосистемах, может быть более сомнительно спрашивать, испытывали ли они условия, которые заставляли бы их терять воду, чем спрашивать, могла ли она быть у них вообще.

Природа, 2023. DOI: 10.1038/с41586-023-05823-0 (о DOI).