Земля уникальна среди известных планет: на её поверхности раскинулись огромные океаны, а сушу покрывают озёра и разветвлённые речные системы. Вода — это кровеносная система биосферы, и без неё Земля была бы просто ещё одним мёртвым миром. Если земная жизнь является надёжным индикатором, то вода необходима для жизни.
Именно поэтому учёные так интересуются происхождением воды на Земле. Долгое время исследователи изучали идею о том, что вода на Земле появилась из других частей Солнечной системы. Протопланетный диск, в котором формировались планеты, был огромен, и в нём была снеговая линия. Это линия в диске, определяемая расстоянием от Солнца, за которой летучие вещества, такие как водяной пар, могут конденсироваться.
Идея состоит в том, что вода может конденсироваться, замерзать, а затем доставляться на Землю астероидами, метеоритами или кометами. Астрономы знают, что кометы — это ледяные тела, и появляется всё больше доказательств того, что астероиды содержат воду либо в замёрзшем виде, либо в виде, запертом в минералах. Это «гипотеза поздней доставки», которая утверждает, что вода была доставлена на Землю после того, как её ядро уже сформировалось.
Однако растущее количество данных и симуляций показывает, что эта картина может быть неверной. Новое исследование, опубликованное в The Astrophysical Journal Letters, ставит под сомнение гипотезу поздней доставки, показывая, что снеговая линия может неточно отражать реальность. Вместо единой линии, которая разделяет сублимацию воды как процесс включения/выключения, где она вся сублимирует по одну сторону снеговой линии, а по другую — нет, реальность более сложна.
Исследование под названием «Была ли вода на Земле приобретена локально на ранних этапах формирования Солнечной системы?» возглавляет Лиза Буатар-Крёпо из Университета Гренобль-Альпы во Франции.
«Существует консенсус в отношении того, что молекулярная вода в основном образовывалась на пылинках микрометрового размера в самом начале формирования Солнечной системы, в молекулярном облаке и на предзвёздной стадии, где она оставалась замёрзшей на ледяной мантии, окутывающей зёрна», — объясняют исследователи.
Со временем эти зёрна сформировали породы, астероиды, кометы и даже скалистые планеты. Но когда Солнце начало светить, условия изменились. Материал в протосолнечном диске нагревался, и вода сублимировала с поверхности пылевых зёрен внутрь, к снеговой линии, которая по сути является фронтом конденсации воды.
В результате условия внутри линии изменились. Любая вода, которая не была захвачена более крупными телами, рассеялась, и внутренний диск стал лишён воды. Именно здесь сформировались скалистые планеты. Земля образовалась из этого сухого материала, что означает, что воду нужно было доставить извне снеговой линии, и в этом суть гипотезы поздней доставки.
Но в этом новом понимании линия более туманна. Исследование основано на достижениях в области квантовой химии, показывающих, что не существует определённой температуры, при которой вода связывается с пылевыми зёрнами. Вместо бинарной разделительной линии энергии связи подчиняются гауссову распределению значений.
«В то время как классически используемая снеговая линия основана на единственной температуре конденсации, недавняя работа в области квантовой химии показывает, что энергия связи (ЭК) воды на ледяных зёрнах имеет гауссово распределение, что подразумевает постепенную сублимацию воды, а не резкий переход», — пишут авторы.
Исследователи рассчитали распределение энергий связи, чтобы понять, как водяной лёд на пылевых зёрнах был распределён по протосолнечной туманности (ПСТ) протопланетного диска. Используя распределение различных энергий связи воды, исследователи установили линию инея, которая на самом деле имеет ширину в несколько астрономических единиц.
«Принятие распределения ЭК воды не создаёт единой снеговой линии, внутри которой ледяные воды полностью десорбируются и остаются «полностью сухими», как часто предполагается, а скорее зону перехода воды, простирающуюся на несколько астрономических единиц», — пишут исследователи.
Это всё произошло очень давно, и, кроме самой Земли, единственное место, где мы можем искать доказательства, — это астероиды и метеориты. Чтобы работа исследователей была точной, она должна воспроизводить изобилие воды на Земле и соотношение изотопов, а также закономерности гидратации, наблюдаемые в метеоритах. Хондриты остались неизменными с ранних дней Солнечной системы и являются важной доказательной связью с глубоким прошлым.
Исследование показывает, что, хотя основная масса водяного льда десорбируется дальше, чем примерно одна астрономическая единица, небольшой процент остаётся прикреплённым к пылевым зёрнам внутри этого предела из-за различных энергий связи. «Эта небольшая фракция, между ∼ 0,04 и 2,5 мас.%, может полностью объяснить содержание воды на Земле», — пишут авторы. «В свою очередь, земная вода могла быть в основном унаследована от пылевых зёрен, которые находились на орбите Земли, без необходимости миграции внешних».
Таким образом, изобилие воды на Земле соответствует результатам исследователей. Но как насчёт хондритов? «Наша модель также успешно воспроизводит наблюдаемую тенденцию содержания воды, эквивалентной содержанию воды, в группах хондритов», — пишут авторы.
«Подводя итог, в свете вышеизложенного обсуждения можно предположить, что земная вода была унаследована от ледяных зёрен на орбите Земли, то есть локально», — пишут авторы. Их результаты также согласуются с идеей о том, что энстатитовые хондриты (ЭХ), редкая форма метеоритов, являются строительными блоками Земли. ЭХ имеют сопоставимое изотопное соотношение с земной водой, и исследователи считают, что они образовались вблизи орбиты Земли.
Сроки гипотезы поздней доставки всегда были непростыми. Как нужное количество воды могло быть доставлено на Землю в нужное время без нарушения процесса планетарной аккреции? Если Земля постепенно увлажнялась по мере своего формирования, этот вопрос можно обойти стороной.
Всё ещё существуют некоторые проблемы с выводами исследователей, и они указывают на них в своей статье. Например, текущее измеренное на Земле соотношение тяжёлой воды (дейтерия) с обычной водой эквивалентно элементарному соотношению. Но текущее измеренное соотношение может не отражать фактическое элементарное соотношение из-за «различных процессов, которые перемещают воду между поверхностью и недрами Земли», — объясняют авторы. Эти процессы могли изменить соотношение.
Исследователи показали, что водяной лёд не обязательно сублимирует вдоль чётко определённой линии. Вместо этого диапазон энергий связи означает, что даже внутри общепринятой снеговой линии некоторое количество воды может сохраняться внутри пород и более крупных зёрен. Они также показали, что достаточного количества воды может сохраниться, чтобы объяснить наличие воды на Земле.
«Подводя итог, эти результаты позволяют предположить, что значительная часть воды на Земле могла появиться локально, без необходимости доставки из-за пределов классической снеговой линии», — заключают авторы.
Это не будет концом гипотезы поздней доставки, но если дальнейшие исследования поддержат эту работу, идея о том, что вода на Земле появилась из других источников и была доставлена кометами и астероидами, станет слабее.
Предоставлено Universe Today