Астрономы Шон Раймонд (Университет Бордо, Франция) и Андре Изидоро (Университет штата Сан-Паулу Жулиу ди Мескита Филью, Бразилия) описали возможный механизм того, как вода попала на Землю. Их исследование опубликовано в журнале Icarus, доступно на сайте arXiv.org, о нем в своем блоге рассказал первый автор.
Ученые полагают, что у воды на Земле и небесных телах из пояса астероидов между орбитами Марса и Юпитера общее происхождение, связанное, в первую очередь, с формированием газовых гигантов в Солнечной системе.
Океаны покрывают три четверти Земли, однако на воду, находящуюся на поверхности, приходится всего одна четырехтысячная общей массы планеты. Вода и в мантии (в виде гидратированных пород), и в ядре Земли. Сколько ее там - неизвестно, вероятно, раз в десять больше, чем на поверхности.
В общем, воды на Земле мало, немного ее и на Луне, Меркурии, Венере и Марсе. Возможно, на Венере и Марсе раньше было больше воды. Основной резервуар воды в рамках орбиты Юпитера - пояс астероидов.
Во внутренней части главного пояса, в пределах 2-2,3 астрономической единицы от Солнца, преобладают астероиды класса S (каменистые), во внешней - класса C (углеродистые). Есть и другие астероиды, однако не столь массивные. В астероидах класса С воды больше, чем в классе S, - около десяти процентов (по массе).
Выяснить происхождение воды можно, проведя изотопный анализ водорода, содержащегося в воде различных небесных тел. Кроме протия, водорода с ядром из одного протона, в природе встречаются дейтерий (с протоном и нейтроном) и совсем редко - тритий (с протоном и двумя нейтронами).
Фото: World History Archive / Globallookpress.com
Изотопный анализ выявляет несколько особенностей. У Солнца и газовых гигантов соотношение содержания дейтерия и трития на один-два порядка меньше, чем у Земли. Зато у астероидов класса C этот показатель практически такой же, как у нашей планеты. Это указывает на общее происхождение воды.
У комет в облаке Оорта соотношение содержания дейтерия и протия примерно в два раза выше, чем у Земли. Есть три кометы в пределах орбиты Юпитера, у которых этот параметр близок к земному, однако там же имеется одна комета, где данный показатель в 3,5 раза больше. Все это может означать, что у воды на кометах разное происхождение и только часть ее образовалась так же, как на Земле.
Планеты формируются вокруг молодых звезд в гигантских газопылевых дисках. Ближе к светилу слишком жарко, поэтому там возникают планеты, богатые кремнием и железом. Дальше от звезды холоднее, там небесные тела могут формироваться и из водяного льда. Земля возникла в той части протопланетного диска, где рождались каменистые небесные тела, без воды. Значит, она попала на планету извне.
С другой стороны, астероиды классов S и C слишком отличаются, чтобы они могли образоваться рядом друг с другом. Кроме того, граница, за которой формировались ледяные небесные тела, в ходе эволюции Солнечной системы постоянно перемещалась, решающую роль в этом сыграл Юпитер.
Юпитер и Сатурн, как полагают ученые, сформировались в два этапа. Сначала они представляли собой твердые небесные тела, в несколько раз тяжелее современной Земли, а затем начали захватывать газ с протопланетного диска. На этом этапе масса и размеры планет резко увеличиваются, гиганты расчищают себе пространство в протопланетном диске.
Крупные Юпитер и Сатурн были окружены тогда небольшими планетезималями - предшественниками протопланет. Когда Юпитер и Сатурн росли, орбиты планетезималей вытягивались, пересекая внутреннюю часть Солнечной системы и удаляясь от светила. Но Юпитер и Сатурн все еще притягивали газ из протопланетного диска, в результате чего, как показало проведенное моделирование, орбиты планетезималей скорректировались Юпитером и переместились в область современного пояса астероидов.
Сатурн возник позже Юпитера, и его формирование привело к новой миграции планетезималей, хотя и не столь значительной. Главный вывод исследователей - астероиды класса C появились в поясе из пределов орбит газовых гигантов после того, как Юпитер и Сатурн завершили свое формирование (хотя некоторые планетезимали могли достичь орбиты Нептуна).
По мнению ученых, вода попала на нашу планету в период формирования пояса астероидов благодаря планетезималям определенного типа (а именно - астероидам класса C) с сильно эксцентричными (вытянутыми) и нестабильными орбитами, пересекающие траекторию Земли. Изотопный анализ водорода - главное тому подтверждение.
Доставка воды на Землю практически завершилась с формированием Юпитера и Сатурна и исчезновением протопланетного диска. Таким образом, популярная гипотеза, объясняющая небольшие размеры Марса миграцией Юпитера вглубь Солнечной системы, коррелирует с механизмом обогащения водой Земли. Появление во внутренней Солнечной системе (как на каменистых планетах, так и в поясе астероидов) воды, важнейшего источника жизни на Земле, - это, оказывается, просто побочный эффект роста Юпитера и Сатурна.
Наукой подробно изучены физические и химические свойства воды, объяснён круговорот в природе как грандиозный глобальный процесс. Накоплены большие знания о жизни в Мировом океане, начиная от его поверхностных слоёв и кончая бездонной пучиной, изучены океанские течения, создано стройное учение о гидросфере и её эволюции.
Без этих знаний невозможны мореплавание, рыболовство, предсказание погоды, рациональное использование воды, защита водных бассейнов от загрязнения. Но как появилась на Земле вода, почему её так много? Учёные давно пытаются найти ответы на эти вопросы. Предположений на этот счёт высказано достаточно, от фантастических о первичности воды и библейских о сотворении мира до научных и околонаучных гипотез.
Одна из таких гипотез (авторы В.С. Сафронов и другие учёные) предполагает следующее. Ещё в догеологический период в результате ударов небесных тел, падавших на Землю, а также за счёт распада тяжелых радиоактивных элементов произошел разогрев недр планеты. Породы внутри планеты разогрелись до плавления, в результате чего через жерла вулканов и образовавшиеся на Земле трещины на поверхность стала изливаться магма, а вместе с ней стали выходить газы и... горячая вода с паром. Этот процесс, названный авторами гипотезы дегазацией, положил начало накоплению воды на поверхности Земли (!). началась геологическая история Земли, началось формирование гидросферы. Случилось это четыре миллиарда лет назад.
Совсем не легко уразуметь изложенное. Что это за небесные тела, которые падали на Землю, и почему от их падения разогрелось нутро планеты? Откуда в недрах молодой Земли взялись тяжелые радиоактивные элементы? Откуда внутри планеты появилась вода, которая, как утверждают авторы гипотезы, стала поступать из недр Земли в объёме до 1,3 км3 в год (какая точность подсчёта!) и так поступала миллионы лет, пока не наполнила океаны на Земле? Откуда такая солёность океанской воды и почему природа при этом "отдала предпочтение" химическому соединению NaCl?
Подземные воды существуют, это известно всем. Достаточно вспомнить ключи, бьющие из-под земли, или артезианские воды (Название пошло от латинского названия французской провинции Артезия, где в XII веке впервые была добыта вода, изливавшаяся из скважины). Подземных вод так много, что их даже называют подземной гидросферой, участвующей в круговороте воды. По некоторым оценкам, объём подземных вод может составлять от 60 до 100 миллионов кубических километров. А некоторые гидрогеологи считают, что в земной коре воды примерно столько же, сколько в Мировом океане... вода в земной коре расположена на глубинах, начиная от нескольких метров до пяти километров и даже глубже.
Но произошли подземные воды из атмосферных осадков. Об этом ещё в XI веке писал персидский учёный Карали. Позднее происхождение подземных вод из атмосферных осадков доказал французский естествоиспытатель XVII века П. Перро. А какие могли быть атмосферные осадки, когда не было атмосферы?
Оставим без комментариев гипотезу В.С. Сафронова и его сторонников о происхождении воды на Земле, похожую на фантастический сюжет Не будем комментировать оценки гидрогеологов о возможном количестве подземных вод на нашей планете.
Одно несомненно: история возникновения Земли и её гидросферы остаётся пока тайной природы, и тайна сия велика есть.
Как и когда появилась вода на Земле? Ученые до сих пор дискутируют на эту тему, однако точного и логично доказанного ответа пока никто не дал. На сегодняшний день существует несколько предположений, каким образом жидкость могла образоваться на планете. Среди них есть как полностью абсурдные, так и достаточно логичные гипотезы, однако пока что ни одна из них не является полностью достоверной.
Как появилась вода на Земле? Кратко об основных гипотезах
Вода играет большую роль в поддержании жизни на планете, т. к. она является основной внутренней средой любого организма. Без воды человек может в среднем продержаться не более трех дней, а потеря 15-20% жидкости зачастую приводит к смерти.
Как появилась вода на Земле? Гипотезы образования этого вещества немногочисленны, а также ни одна из них еще не получила правдивых доказательств. Тем не менее только они могут хоть как-то объяснить формирование гидросферы нашей планеты.
Гипотеза космического происхождения воды
Группа исследователей выдвинула предположение, что вода появилась вместе с многочисленными падающими метеоритами. Это происходило около 4,4 миллиарда лет назад, когда планета еще зарождалась, а ее поверхность представляла собой сухую опустошенную землю, над которой еще не сформировалась атмосфера.
На вопрос, как появилась вода на Земле, приверженцы данной гипотезы отвечают, что первые молекулы этой жидкости приносили с собой метеориты. Сначала эти молекулы существовали в форме газа и накапливались, а позже, когда планета начала остывать, вода перешла в жидкое состояние и образовала гидросферу Земли.
Возможно, химическое образование воды произошло из первичных протонов водорода и анионов кислорода, однако вероятность протекания такой реакции в толще небесных тел, которые в последующем падали на Землю, катастрофически мала.
Еще одна гипотеза, как появилась вода на Земле
Ее предложила группа исследователей во главе с известным ученым В.С. Сафроновым. Суть его предположения заключается в земном происхождении воды, которая образовалась в недрах планеты.
Под действием многочисленных падений метеоритов наша на тот момент раскаленная планета стала формировать большое количество вулканов, из которых вырывалась магма. Вместе с ней на поверхность выделялся «водяной пар», который и стал причиной образование гидросферы Земли.
Несмотря на то что теория положила в основу земное происхождение воды, она не может ответить на многие вопросы. Например, каким образом породы в литосфере настолько сильно расплавились, чтобы повлечь образование множества вулканов? И каким образом водяной пар образовался? Сначала ученые предположили, что на тот момент существовала грунтовая вода, которая через жерла вулканов вместе с магмой вырвалась наружу в газообразном состоянии.
Эту теорию образования пара опроверг П.Перро, естествоиспытатель 17-ого века. Он доказал, что грунтовые воды образовались из-за выпадения осадков, а для этого необходимо наличие атмосферы. 4,4 миллиарда лет назад атмосферы не существовало.
И последняя теория
Так как появилась вода на Земле? Еще одна гипотеза смогла подойти с другой стороны к вопросу о формировании гидросферы планеты. Как и прошлое предположение В.С. Сафронового и его соавторов, данная гипотеза отталкивается от земного происхождения воды.
Отличием является то, что по мнению исследователей, молекулы воды образовались вместе с протопланетным диском Земли, т.е. в момент формирования самой планеты. Источником молекул воды послужили дейтерий и кислород.
Дейтерий представляет собой обычный водород с одним нейтроном в ядре. Этот тяжелый изотоп был найден в образцах древних базальтов, обнаруженных в Арктике на острове Баффинова Земля (1985 год). Эти породы образованы из частиц протопланетной пыли, не подвергшихся воздействию в ходе формирования планеты. Как утверждают исследователи, химическая природа дейтерия не позволила бы изотопу образоваться вне планеты.
Вот как появилась вода на Земле по мнению этих ученых. Если их данные верны, при формировании протопланетного диска образовалось около 20% современного мирового океана. Сегодня исследователи ищут способ доказать, что из "протопланетной" воды образовалась большая часть мирового океана, а также атмосферные водяные пары и грунтовые воды.
Землю часто называют «Голубой планетой» и не только из-за состава атмосферы, который придает планете нежный голубоватый оттенок, но и благодаря океанам, покрывающим более 70% земной поверхности. Именно в океанах появилась жизнь и поэтому ученых занимает вопрос, когда и как появилась вода на Земле.
Ранее считалось, что океаны сформировались на нашей планете, когда та уже была достаточно «взрослой», но последние исследования, проведенные в Океанографическом институте Вудс-Холл (США) доказывают, вода на Земле были всегда.
Согласно существовавшей ранее теории планеты формируются сухими, так как их образование связано с высокоэнергичными и ударными процессами. Если на «юных» планетах и есть водные молекулы, то они испаряются, пока планета не завершит стадию образования. Вода на планетарные тела попадает уже после окончания их формирования, после падения комет и «мокрых» астероидов, состоящих их замороженной воды и газов. По этой теории, вся вода, существующая на Земле сегодня, попала на планету спустя миллионы лет после ее рождения.
В своих исследованиях ученые из института Вудс-Холл, обратились к углистым хондритам, которые также являются потенциальным источником планетарной воды. Самые простые метеориты из этого вещества были образованы в потоке пыли, льда и газов, породивших Солнце, задолго до появления других тем нашей звездной системы.
По словам сотрудника Вудс-Холл Суне Нильсена, именно углисто-хондритовые метеориты являются самыми распространенными объектами в Солнечной системе. В них содержится достаточно большое количество водных молекул и ранее они считались главным источником появления воды на нашей планете.
Чтобы выяснить, когда и как появилась вода на Земле, ученые измерили соотношение стабильных изотопов водорода, обычного с одним нейтроном и дейтерия с двумя. В различных областях нашей звездной системы они это соотношение различается. Далее исследователи пришли к выводу, что сравнение соотношения углистых хондритов в объекте, сформировавшемся одновременно с нашей планетой, может помочь ответить на вопрос когда и как появилась вода на Земле.
Астероиды 4-Веста был сформированы в том же районе, что и Земля и одновременно с ней. Их покрывает базальтовый слой застывшей лавы. Эти небесные тела являются древнейшими резервуарами водорода в нашей системе, так как появились спустя 14 миллионов лет после рождения Солнечной системы. В это время наша планета была на стадии своего формирования. Благодаря, всем этим характеристикам 4-Веста, стали идеальными объектами определения того, как появилась вода на Земле и когда.
Проанализировав собранные НАСА образцы, ученые пришли к выводу:в них такое же соотношение изотопов водорода и азота, что и в углистых хондритах, и в составе Земли. Это делает их самым вероятным источником водных молекул в Солнечной системе. Следовательно, водные ресурсы появились на Земле одновременно с твердыми породами. Наша планета была рождена в воде.
В ходе исследований ученые не учитывали воду, попавшую на планету позднее, так как это не являлось необходимым. На Земле в ее «детские годы» уже было достаточно водных ресурсов для рождения океанов. В сочетании с остальными условиями на заре формирования нашей планеты это привело к рождению жизни на Земле. Возможно, что и на других планетных телах существовало достаточно влаги для появления живых существ, однако изменение климата позднее сделало их непригодными для жизни.
МОСКВА, 12 янв - РИА Новости . Древнейшие породы Земли с канадского острова в Арктике рассказали ученым о том, что вода нашей планеты существовала на ее поверхности изначально, а не была принесена кометами или астероидами, говорится в статье, опубликованной в журнале Science .
"Мы обнаружили, что молекулы воды в образцах этих пород содержали в себе мало атомов дейтерия, тяжелого водорода. Это говорит о том, что она попала на Землю не после того, как она сформировалась и охладилась, а вместе с пылью, из которой была слеплена наша планета. Большая часть воды в этой пыли испарилась, но ее остатков хватило для формирования океанов Земли", — заявила Лидия Халлис (Lydia Hallis) из университета Глазго (Шотландия).
Сегодня планетологи считают, что воды Земли носят "космическое" происхождение. Их источником, по мнению половины из них, являются кометы, тогда как другие астрономы считают, что водные запасы нашей планеты были "завезены" на нее астероидами.
Халлис и ее коллеги показали, что на самом деле океаны нашей планеты могут быть заполнены ее собственной водой, изучив образцы древнейших базальтов Земли, найденные на территории канадской земли Баффина в 1985 году.
Эти фрагменты мантии Земли, как объясняет геолог, содержат в себе так называемые инклюзии — небольшие шарики из кристаллов тугоплавких пород, сформировавшиеся на заре жизни Солнечной системы, около 4,5-4,4 миллиарда лет назад. Благодаря тому, что они никогда не покидали недр Земли и не смешивались с породами земной коры, они содержат в себе первичную материю нашей планеты.
Группа Халлис решила воспользоваться этим фактом для того, чтобы изучить изотопный состав воды, содержащейся в этих включениях, и сравнить его с теми значениями в долях изотопов водорода, которые характерны для вод Земли сегодня и для астероидов и комет.
Ученые: Юпитер мог уничтожить "супер-Земли" в юной Солнечной системе Наша Солнечная система могла содержать в себе одну или несколько крупных землеподобных планет на ранних этапах своего формирования, которые были в дальнейшем поглощены Солнцем в результате миграций Юпитера.Как оказалось, первичные породы Земли содержали в себе необычно мало дейтерия, тяжелого водорода, заметно меньше, чем содержится в водах современных океанов и в материи малых небесных тел. Это говорит о том, что источником воды была первичная материя газопылевого диска, из которого родилась Земля и все остальные обитатели Солнечной системы.
Почему это так? Изначально, как объясняет Халлис, первичная материя Солнечной системы содержала в себе крайне мало дейтерия. Дейтерий тяжелее, чем "обычный" водород, и поэтому его атомы гораздо медленнее испаряются в космос с поверхности Земли или других небесных тел, чем простые протоны. Поэтому чем больше времени вода проводит в открытом пространстве, тем меньше в ней будет дейтерия. Это и объясняет то, почему малое количество дейтерия в воде в образцах этих пород говорит о "земном" происхождении воды в океанах нашей планеты.
Сегодня крайне мало ученых считают, что вода и большая часть газов в атмосфере Земли могла возникнуть на нашей планете "самостоятельно". Это объясняется тем, что Земля находится в так называемой горячей части протопланетного диска, где водяной лед и прочие замороженные летучие вещества постепенно разрушались под действием ультрафиолета и других лучей новорожденного Солнца.
С другой стороны, в последние годы планетологи нашли множество свидетельств и теоретических доказательств в пользу того, что Земля и некоторые другие землеподобные планеты Солнечной системы могли сформироваться в более далекой и холодной части протопланетного диска, а затем были "согнаны" со своего места на современные орбиты Юпитером и Сатурном. Открытие Халлис и ее коллег может быть еще одним аргументом в пользу этой "миграционной" теории.
