Новое исследование объясняет необычный химический состав Земли

Однако распределение этих летучих веществ на Земле искажено относительно их содержания в материалах, которые, как считается, сформировала Земля.

Художник впечатление отрастания. Расплавленная Земля образовалась в результате ударов множества небольших астероидов. 

Эти летучие элементы являются основными компонентами атмосферы и океанов и ключевыми элементами жизни; таким образом, понимание происхождения летучего состава Земли имеет решающее значение для понимания того, как Земля создала обитаемую среду. Новое исследование, проведенное Харукой Сакураба из Токийского технологического института и Хироюки Курокава из Института наук о Земле и жизни (ELSI) в Токийском технологическом институте, показывает, как драматические события во время процесса формирования Земли могут объяснить эти наблюдения.

Хондритовые метеориты – одни из первых твердых материалов, образовавшихся в ранней Солнечной системе. Принято считать, что они доставили летучие элементы Земли на основе анализа содержащихся в них изотопов. Однако содержание C, N и H в том, что ученые называют «массивной силикатной Землей» или «BSE» (которая включает атмосферу, океаны, кору и мантию), значительно отличается от их содержания в хондритах; В дополнение к тому, что этих элементов в BSE относительно мало, существует также заметная нехватка азота. Из-за этих несоответствий происхождение основных летучих элементов Земли остается загадочным, и предыдущие исследования предполагали, что их могли доставить нехондритовые дифференцированные метеориты или астероиды.

Новое исследование показало, что модель истощения C, N и H у BSE действительно может быть связана с постоянным падением хондритовых тел, если на их летучие вещества влияет сам процесс формирования Земли. Во-первых, исследование предполагает, что, поскольку планета была по существу расплавленным каменным шаром на самых ранних стадиях своего существования, значительное количество углерода могло быть удалено в ядро ​​Земли. Позже, когда планета остыла и затвердела и образовались океаны, C и H откладывались в виде воды и карбонатных пород. В то же время N в значительной степени оставался в атмосфере, где в результате последующих взрывных ударов метеоритов часть его была выброшена в космос.

Исследователи смоделировали эволюцию содержания летучих веществ в атмосфере, океанах, коре, мантии и ядре с самых ранних стадий формирования Земли, принимая во внимание все эти факторы, а также ограничения, связанные с формированием Земли, такие как ранняя минералогия и распределение по размерам падающих астероидов и метеоритов. Затем они сравнили окончательный запас летучих веществ в различных условиях с текущей Землей.

Член группы Курокава говорит: «Истоки обитаемой среды Земли и то, как возникла жизнь, несомненно
интересные вопросы. Тот факт, что Земля пригодна для жизни, объясняется не только тем, что на ее поверхности есть жидкая вода, хотя это важно, но и тем, что ее атмосфера C и N помогает сохранять поверхность Земли достаточно теплой, чтобы поддерживать жидкую воду. Обилие этих основных летучих элементов имеет значение; если бы мы увеличили или уменьшили их численность хотя бы в несколько раз, Земля могла бы быть полностью сухой планетой или полностью покрытой океаном, или ее климат мог бы быть чрезвычайно жарким или холодным ».

Курокава далее объясняет, что ученые в течение нескольких лет интересовались областью вокруг звезд, которую они называют «обитаемой зоной» или HZ, то есть расстоянием, на котором планета получает достаточно энергии от солнечного света, чтобы поверхность планеты оставалась достаточно холодной, чтобы удерживать воду. но достаточно теплой, чтобы вода оставалась жидкой. Однако существование планеты в HZ также зависит от массы и химического состава планеты, поскольку небольшие планеты с малой массой легче теряют летучие вещества из-за гравитационного ускользания, а планетные атмосферы могут помочь согреть планеты, задерживая исходящее инфракрасное излучение через них. -называется тепличное утепление.

Исследование объясняет обилие основных летучих элементов Земли и показывает, что летучий состав Земли является естественным результатом образования планеты размером с Землю в HZ. Напротив, исследователи предполагают, что Венера (которая сформировалась ближе к Солнцу, чем предполагаемая HZ) и Марс (который в десять раз меньше Земли) должны были иметь разное содержание летучих веществ.

Авторы считают, что эти результаты могут помочь предсказать, какие внесолнечные планеты в HZ их родительских звезд должны быть действительно обитаемыми. Астрономы уже обнаружили планеты размером с Землю, расположенные в HZ вокруг других звезд, хотя окружающая их поверхность пока не поддается наблюдению. Это исследование предсказывает, что при условии, что такие планеты сформированы аналогично Земле, они действительно будут планетами земного типа; и может иметь обилие основных летучих элементов, подобных Земле, и, следовательно, вероятно, эволюционировать, как Земля, и, следовательно, также являются хорошими кандидатами для поиска жизни за пределами Земли.

Авторы отмечают некоторую неопределенность в некоторых параметрах, которые они моделировали. Каждый параметр имеет разную степень неопределенности. Например, распределение элементов между силикатной магмой и металлом, образующим ядро, обычно имеет неопределенность порядка величины. Простое объединение всех этих различных процессов в единую модель и количественная оценка влияния их неопределенностей потребовало многократного запуска модели с разными параметрами.

Курокава говорит: «Нас интересует, как на Земле и других планетах могут развиваться обитаемые среды, способные поддерживать жизнь, и, следовательно, возникает вопрос:« Земля особенная или обычная? ». Окружающая среда на поверхности Земли контролируется не только ее расстоянием от Солнца и наличием воды, но и наличием в ней основных летучих элементов, таких как C, N и H. примитивные тела Солнечной системы в нашей Солнечной системе, из которых, как считается, образовалась Земля ».

Предыдущие попытки объяснить обилие летучих элементов на Земле были сосредоточены на ограниченном рассмотрении взаимодействия процессов формирования планет. Это исследование является первым, в котором смоделировано, как содержание основных летучих элементов могло измениться во время аккреции Земли, и как мы можем воспроизвести наблюдаемый состав.

«Один из новых вопросов, который поднимает эта работа, заключается в том, как распределение основных летучих элементов было определено в начале истории Земли», – добавляет Курокава. «Наша модель предсказывает, что эти летучие вещества в основном располагались на поверхности вскоре после образования Земли. Напротив, самый большой их резервуар сегодня – это мантия. За это изменение должна быть ответственна тектоника плит. Однако когда и каким образом эти летучие вещества попали в мантию, вопрос пока не решен. Это также связано с возникновением и эволюцией жизни на Земле; Иногда азот является ограничивающим фактором биологической активности, а в современном цикле азота в значительной степени доминирует жизнь ».