Бурное прошлое планеты и откуда взялись океаны — новое исследование

В недавнем исследовании в Physical Review Letters, профессор Сколтеха и его китайские коллеги предлагают химическое соединение, которое, хотя сейчас и вымерло, могло сохранить воду глубоко под землей в жестокую эпоху, когда массовые столкновения должны были испарить воду с поверхности Земли.

Помимо того, что поверхностные воды являются важнейшим веществом для возникновения жизни, какой мы ее знаем, они важны для стабилизации климата планеты в течение длительных периодов времени, что позволяет происходить эволюции. Известно, что даже небольшое количество воды глубоко под поверхностью резко увеличивает пластичность горных пород, что необходимо для тектоники плит — процесса, который формирует континенты и океаны и вызывает землетрясения и вулканизм. Но, несмотря на ее огромное значение для эволюции таких каменистых планет, как наша, мы не знаем, откуда взялась вода на Земле.

«Некоторые ученые думали, что наша вода была засеяна кометами, но этот источник, по-видимому, очень ограничен — изотопный состав воды в кометах сильно отличается от земного», — говорит профессор Артем Р. Оганов из Сколтеха, соавтор исследования. учиться.

Если вода не пришла сверху, она должна была прийти снизу, из глубины мантии или даже из ядра Земли. Но как она могла пережить бурные первые 30 миллионов лет или около того в истории Земли, когда планета была очень горячей и постоянно подвергалась бомбардировке астероидами и даже пережила катастрофическое столкновение с планетой размером с Марс? Эти процессы должны были испарить часть Земли, а то, что осталось, расплавилось по крайней мере на несколько сотен километров вниз, удалив воду. До сих пор ученые не знали стабильного соединения, которое могло бы достаточно долго удерживать атомы водорода и кислорода в недрах планеты, а затем высвобождать их в виде воды.

Оганов объединился с группой ученых под руководством профессора Сяо Дун из Нанкайского университета, Китай, и вместе они использовали метод предсказания кристаллической структуры Оганова USPEX, чтобы открыть соединение, отвечающее всем требованиям: гидросиликат магния с формулой Mg2SiO5H2, которая более 11 % воды по весу и стабилен при давлении более 2 миллионов атмосфер и при экстремально высоких температурах. Такие давления существуют в ядре Земли. Но все знают, что ядро ​​представляет собой металлический шарик, в основном из железа, так что элементов, из которых состоит гидросиликат магния, там просто нет, верно?

«Неправильный. Ядра в то время не было. В начале своего существования Земля имела более или менее равномерно распределенный состав, и железу потребовалось примерно 30 миллионов лет с момента образования планеты, чтобы просочиться к ее центру, вытолкнув силикаты в то, что мы сейчас называем мантией. «, — поясняет Оганов.

Это означает, что в течение 30 миллионов лет часть земной воды надежно хранилась в виде гидросиликатов в недрах современного ядра. За это время Земля выдержала самую тяжелую фазу астероидной бомбардировки. К тому времени, когда сформировалось ядро, гидросиликаты были вытеснены в области с более низким давлением, где они стали нестабильными и разложились. Это произвело оксид магния и силикат магния, которые сегодня составляют мантию, и воду, которая начала свое 100-миллионное путешествие на поверхность.

«Тем временем на Землю обрушивались астероиды и даже протопланета, но вода была в безопасности, потому что еще не пробилась на поверхность», — добавляет Оганов.

Исследователи говорят, что их исследование показывает, насколько ошибочной иногда может быть человеческая интуиция. Никто не думал о силикатах при центральном давлении, потому что атомы, входящие в его состав, якобы не должны были там находиться. И даже тогда люди не ожидали, что гидросиликат будет стабильным в условиях ядра, потому что считалось, что экстремальные температуры и давления «выжимают» воду из минерала. Однако точное моделирование, основанное на квантовой механике, доказало обратное.

«Это также история о том, как материал, существовавший в течение короткого момента в планетарной шкале времени, оказал огромное влияние на эволюцию Земли», — продолжает материаловед. «Это противоречит обычному геологическому мышлению, но, если подумать, биолог-эволюционист, для которого многое из того, что мы видим сегодня, развилось из ныне вымерших видов, вряд ли удивится, не так ли?»

Новая гипотеза происхождения воды применима и к другим небесным телам.

«Например, Марс слишком мал, чтобы создавать давление, необходимое для стабилизации гидросиликата магния», — говорит Оганов. «Это объясняет, почему она такая сухая, и означает, что какая бы вода ни была на Марсе, она, вероятно, образовалась из комет».

Или же рассмотрим планеты за пределами нашей Солнечной системы.

«Чтобы быть пригодной для жизни, экзопланета должна иметь стабильный климат, для чего нужны как континенты, так и океаны. Так что вода должна быть, но не слишком много», — добавляет Сяо Дун. «Была оценка, что для того, чтобы планета любого размера была пригодной для жизни, в ней должно быть не более 0,2% воды по весу. Наши результаты показывают, что для больших похожих на Землю планет, называемых «суперземлями», история, вероятно, отличается: на таких планетах давление, стабилизирующее гидросиликат магния, должно существовать даже за пределами ядра, удерживая большое количество воды на неопределенный срок. В результате суперземли могут иметь гораздо большее содержание воды и по-прежнему поддерживать существование открытых континентов».

Это даже имеет значение для магнитосферы планеты.

«При температурах более 2000 градусов по Цельсию гидросиликат магния будет проводить электричество, а протоны водорода служат носителями заряда. Это означает, что наш гидросиликат внесет свой вклад в магнитные поля суперземли», — объясняет Оганов, добавляя, что список следствий новой гипотезы можно продолжать и продолжать.