Криптон из глубокой мантии раскрывает происхождение Земли из внешней солнечной системы

Различные изотопы криптона — это химические отпечатки пальцев для ученых, исследующих ингредиенты, из которых состоит Земля, такие как частицы солнечного ветра и метеориты из внутренней и внешней части Солнечной системы.

Впечатление художника от планет, формирующихся вокруг молодой звезды. Новые, очень точные измерения изотопов криптона из глубины Земли показывают, что вода, углерод и другие летучие вещества были включены в Землю раньше, чем считалось ранее. Предоставлено: Европейская южная обсерватория.

Результаты показывают, что летучие элементы Земли — такие важные, как углерод, вода и азот — прибыли, когда Земля росла и становилась планетой. Это противоречит популярной теории о том, что летучие элементы Земли в основном были доставлены ближе к концу формирования Земли, что отмечено столкновением гиганта, образующего Луну. Вместо этого изотопы криптона предполагают, что планетезимали из холодных внешних районов Солнечной системы бомбардировали Землю на ранней стадии, за миллионы лет до большого кризиса. Молодая Земля также собирала пыль и газ из солнечной туманности (облака, окружающее Солнце) и подвергалась бомбардировке метеоритами.

«Наши результаты требуют одновременной доставки летучих веществ из множества источников на самом раннем этапе формирования Земли», — сказала Сандрин Перон, ведущий автор исследования. Перон, в настоящее время научный сотрудник по программе Марии Склодовской-Кюри в ETH Zürich, Швейцария, проводил исследование в Калифорнийском университете в Дэвисе в качестве постдокторанта, работая с профессором Суджой Мукхопадхьяй из Департамента наук о Земле и планетах.

«Это исследование дает ключ к разгадке источников и времени аккреции летучих веществ на Земле и поможет исследователям лучше понять, как образовалась не только Земля, но и другие планеты Солнечной системы и вокруг других звезд», — сказал Перон.

Первобытная геохимия

Вулканические горячие точки, извергающие лаву в Исландии и на Галапагосских островах, подпитываются слякотными шлейфами магмы, поднимающимися из самого глубокого слоя мантии, недалеко от ее границы с железным ядром Земли. Элементы и минералы в этом глубоком слое относительно не изменились со времени до лунно-образующего удара, как капсула времени химического состава ранней Земли, возрастом более 4,4 миллиарда лет.

Лаборатория Мухопадхая специализируется на точных измерениях благородных газов в горных породах с Земли и других мест. Чтобы получить образцы криптона из глубокой мантии, исследователи собрали лаву на шлейфах горячих точек. Древние газы поднимаются на поверхность в извергающейся лаве, захватываются и погребаются в виде пузырьков в стеклянной матрице, когда лава затухает до твердого состояния, обеспечивая некоторую защиту от внешнего загрязнения. Однако даже самые распространенные изотопы криптона в этих пузырьках составляют всего несколько сотен миллионов атомов, что затрудняет их обнаружение, сказал Мухопадхьяй.

Перон разработал новый метод измерения мантийного криптона с помощью масс-спектрометрии, концентрируя криптон из образцов горных пород в среде, практически свободной от загрязнения воздухом, и аккуратно отделяя его от аргона и ксенона.

Строим планету

«Наше исследование является первым точным измерением всех изотопов криптона для мантии, включая самые редкие изотопы криптона, Kr-78 и Kr-80», — сказала она.

Исследователи обнаружили, что химический отпечаток криптона из глубокой мантии очень напоминает примитивные, богатые углеродом метеориты, которые, возможно, были доставлены из холодных отдаленных уголков Солнечной системы. Но предыдущие работы Мухопадхая и других показали, что неон, еще один благородный газ в глубокой мантии, был получен из Солнца. Два разных результата предполагают наличие по крайней мере двух различных летучих источников мантии Земли, обнаруженных на очень раннем этапе ее истории. Исследователи также отметили меньшее количество редкого изотопа Kr-86 в глубокой мантии по сравнению с известными метеоритами. Дефицит Kr-86 предполагает, что одни только известные метеориты не могут объяснить весь криптон мантии.

Наконец, новые результаты также имеют значение для того, как возникла атмосфера Земли. Исследователи обнаружили, что соотношение различных изотопов криптона в глубокой мантии не соответствует соотношению изотопов в атмосфере Земли. Это означает, что некоторые газы в атмосфере, в том числе благородные газы, такие как криптон, были доставлены на Землю после лунного удара. В противном случае мантия и атмосфера Земли имели бы одинаковый изотопный состав из-за изотопного равновесия после удара, сказал Перон.