Содержание
Откуда на Земле вода? Учёные разгадали давнюю загадку | Наука | Общество
Дмитрий Писаренко
Примерное время чтения: 4 минуты
30333
Снимок Земли из космоса. roscosmos.ru/
В научном мире до сих пор нет единого мнения о происхождении воды на нашей планете. Одни считают, что она была занесена астероидами или кометами около 4 миллиардов лет назад, на ранней стадии образования Земли. Другие — что она высвободилась из земных недр в результате химических реакций.
В недавно опубликованной в журнале Physical Review Letters статье профессор Сколтеха Артём Оганов и его китайские коллеги поддерживают вторую гипотезу. Они называют вещество, которое могло сохранить воду в глубинах молодой планеты в то время, когда с её поверхности она полностью испарилась в ходе катастрофических столкновений с другими небесными телами.
Примечательно, что на современной Земле этого вещества нет, но учёные смогли его предсказать.
Почему океан не испарился?
О важности воды для возникновения земной жизни и её эволюции знает любой школьник. Это химическое соединение выполняет важнейшие функции, например, моря и океаны стабилизируют климат. Если бы этого не происходило, жизни было бы сложнее закрепиться на планете и массовые вымирания организмов случались бы чаще. Кроме того, даже небольшие количества воды размягчают горные породы, проникая в них, а при замерзании — разрушают. Это обеспечивает тектонику плит, а она, в свою очередь, ответственна за форму континентов, землетрясения, вулканическую активность и многое другое.
Несмотря на важную роль воды в истории Земли, учёные не знают, откуда она взялась в столь большом объёме, что хватило на Мировой океан. Это давняя научная загадка. «Высказывалась гипотеза, что воду могли занести к нам кометы, но, по всей видимости, значение этого источника весьма невелико.
Дело в том, что изотопный состав воды на Земле и в кометах заметно различается», — поясняет профессор Сколтеха, химик-кристаллограф Артём Оганов.
Раз вода не прибыла из космоса, значит, она как-то возникла из земных недр, из содержащихся там минералов. В таком случае неясно, как океан смог пережить бурный этап истории Земли, когда планета была раскалена, подвергалась массированной бомбардировке астероидами и даже столкнулась с другим небесным телом, что породило Луну. Все эти катаклизмы должны были навсегда испарить жидкую воду с поверхности планеты. Такого вещества, которое могло бы на протяжении миллионов лет сохранять её на большой глубине и высвободить в более спокойную эпоху, учёным известно не было.
И вот теперь они смогли назвать его и вывести его химическую формулу. Это гидросиликат магния, Mg2SiO5h3.
Чем удивительно сделанное открытие?
Работу провели российские и китайские исследователи. Артём Оганов известен как автор метода предсказания кристаллических структур USPEX.
Используя этот метод, китайские учёные под руководством профессора Нанькайского университета Сяо Дуна применили компьютерное моделирование и предсказали существование на ранней Земле соединения Mg2SiO5h3. Оно стабильно при высоких температурах и давлениях (более 2 миллионов атмосфер, как в земном ядре) и теоретически могло присутствовать в недрах ещё до образования ядра, когда планета была химически однородной.
Гидросиликат магния содержит 11% воды по массе. После того как возникло и обособилось ядро, давление в мантии упало, и этот минерал, по мнению авторов исследования, разложился, выделив огромное количество воды. На это понадобилось около 30 миллионов лет: за это время в центре Земли сконцентрировалось железо (все знают, что ядро состоит из него) и вытеснило оттуда силикатные минералы в область меньших давлений, где они оказались нестабильны и подверглись распаду. Так образовались оксид и силикат магния, из которых состоит мантия, а также вода, постепенный выход которой на поверхность занял ещё около 100 миллионов лет.
Учёным известно, что уже спустя 120 миллионов лет после возникновения земного ядра на планете были океаны.
Артём Оганов подчёркивает, что сделанное открытие удивительно тем, что «просуществовавший сущее мгновение в масштабах истории планеты материал колоссально повлиял на эволюцию Земли». Кроме того, оно очень важно для понимания эволюции других небесных тел. «Взять, например, Марс. Он слишком мал, чтобы обеспечить давления, при которых устойчив гидросиликат магния, — говорит учёный. — Этим объясняется тот факт, что на Марсе так мало воды. Причём та вода, что есть, по всей видимости, принесена кометами».
Китайский исследователь Сяо Дун предполагает, что эта научная работа поможет в исследовании планет за пределами Солнечной системы: «Чтобы экзопланета была обитаемой, нужен стабильный климат, а для этого там должны одновременно существовать и континенты, и океаны. Считалось, что массовое содержание воды на планете земного типа, вне зависимости от её размеров, не должно превышать 0,2%.
Наши же результаты подталкивают к выводу, что на массивных планетах такого вида (так называемых суперземлях) всё, вероятно, обстоит иначе. Там давления, стабилизирующие гидросиликат магния, существуют за пределами ядра, и такие планеты могут сколь угодно долго удерживать большие количества воды в мантии. А значит, на них могут существовать континенты и океаны при куда более высоком содержании воды, чем ожидалось ранее».
водапроисхождение человекажизньнаука
Следующий материал
Новости СМИ2
Похождення води на Землі | Блог Ecosoft
Вода є основою всього живого на землі, але звідки вона взялася і яким чином накопичила цілі океани? Наука не має простої і чіткої відповіді на це питання. Одні з версій більш реалістичні, інші менш, але остаточної відповіді на питання: «Як з’явилася вода?» — поки немає.
Земля є унікальною планетою з океанами рідкої води. Вона досить далека від Сонця, що дозволяє воді не випаровуватися, але при цьому досить близько до Сонця, щоб вода не замерзала.
Ця унікальність і зробила можливим поширення життя на поверхні нашої планети.
Скільки води на землі?
Попри те, що світовий океан займає 71% поверхні землі та заповнений 1,4 × 1021 кг води, океанічні води складають всього 0,023% маси землі. Також ще 0,5 × 1021 кг води знаходяться в льодовиках, річках, озерах, підземних резервуарах, а також в атмосфері. Значна кількість води також зберігається в земній корі, мантії і ядрі — в них вона міститься не в рідкому молекулярному стані, а пов’язаною в кристалогідратів та інших сполуках. Оцінити реальний зміст води в земній корі поки неможливо, але приблизний об’єм дорівнює трьом світовим океанам.
Як з’явилася вода на Землі?
Земля не могла бути спочатку сформованою з існуючими океанами води, оскільки на етапі формування Землі Сонячна система була дуже гарячою. Відповідно, вода потрапила на Землю з космосу. Сучасні дослідження говорять про те, що найімовірніше вода потрапила на землю з крижаними планетезималями, які схожі на сучасні астероїди на зовнішній частині поясу астероїдів.
Геологічні дані вивчення кам’янистих порід на цей час стверджують, що вода була на Землі
3,8 млрд років тому, або
4,28 млрд років тому. Досліджень, що підтверджують більш раннє існування світового океану, на цей час не існує. Важливо відзначити, що теоретичним обґрунтуванням того, що це дійсно була «перша» вода на Землі, є той факт, що приблизно 4,5 млрд років тому відбувалося формування Місяця, який утворилася завдяки зіткненню великого об’єкта з Землею.
Вода має досить низьку температуру конденсації (переходу з пароподібного в рідкий стан), Земля була дуже гарячою на початку свого формування, тому вода не могла втриматися на ній. Водночас в розташованих далі від Сонця областях вода могла конденсуватися та утворювати крижані планетезималі. Тому космічне походження води на Землі є науково обґрунтованим припущенням. Ця теорія говорить про те що, комети, транснептунові об’єкти або метеороїди, що містять воду, стикаючись із Землею, приносили на неї воду.
Одним з методів, який допомагає дослідникам вивчати це складне питання, є співвідношення кількості атомів звичайного водню, і ізотопів — дейтерію і протію. Співвідношення атомів звичайного водню, дейтерію і протію говорить про те, що, найімовірніше, цим джерелом були астероїди. Хоча вимір концентрацій ізотопів в кометах і транснептунових об’єктах мало збігався із земною водою.
Що ж стосується механізмів накопичення води, то остаточної відповіді на це питання вчені поки не дали. Існує ряд гіпотез, які ми наведемо нижче.
Одна теорія стверджує, що вода на Землі почала накопичуватися близько 4,5 млрд років тому, коли Земля мала
лише 60 — 90% своєї теперішньої маси, і утримувалася на планеті весь цей час. Це припущення підтверджується схожістю ізотопного складу води та найстаріших вуглецевих метеоритів, хоча інші дослідження говорять про те, що верхній шар Землі має відмінні ізотопні склади. Тож внутрішня і зовнішня частини Землі мають різне походження.
Відповідно, друга теорія стверджує, що вода була сформована після «місячного удару», тобто пізніше, ніж 4,5 млрд років тому, завдяки принесеним на планету матеріалам, які були дуже «водянистими».
Третя гіпотеза припускає, що Земля отримала свою воду в результаті місяцеутворюючого зіткнення планет.
Всі три теорії мають право на існування, а також можуть перетинатися одна з одною, пояснюючи появу води на Землі.
Откуда на Земле взялась вода? : NPR
Услышано обо всем, что учтено
Ученые давно спорят о том, была ли вода на Земле, когда сформировалась планета, или она появилась позже. Исследование предполагает, что большая часть воды образовалась в горных породах, из которых построена Земля.
ОДИ КОРНИШ, ВЕДУЩАЯ:
Вода повсюду на Земле — облака, дождь, океаны и реки, даже наши собственные тела.
Откуда взялась вся эта вода, остается загадкой. Нелл Гринфилдбойс из NPR сообщает, что ученые, возможно, нашли ответ внутри некоторых редких метеоритов.
НЕЛЛ ГРИНФИЛДБОЙС, ПОДПИСКА: Земля сформировалась 4,5 миллиарда лет назад. По сравнению с другими планетами, он появился довольно близко к Солнцу. Там высокая температура означала бы отсутствие водяного льда, отсутствие льда, который мог бы соединиться с вращающимися кусками камня и пыли, которые сталкивались друг с другом и образовывали нашу молодую планету.
LAURETTE PIANI: Вот почему мы точно не знаем, откуда берется вода на Земле, почему нам нужно найти источник воды на Земле.
GREENFIELDBOYCE: Лоретт Пиани работает во французской исследовательской лаборатории CRPG. Она говорит, что источник воды мог находиться дальше в Солнечной системе, например, ледяные кометы или богатые водой астероиды, которые ударили по новообразованной Земле и увлажнили ее. Это долгое время было господствующим мнением.
ПИАНИ: Объяснить наличие на Земле океана и воды Земли в целом.
ГРИНФИЛДБОЙС: Однако она задавалась вопросом, могла ли вода быть там с самого начала. Поэтому она и несколько ее коллег недавно внимательно изучили редкий вид метеорита. Это не похоже на что-то особенное.
ПИАНИ: Это немного похоже на серый камень.
ГРИНФИЛДБОЙС: Но также считается, что он образовался недалеко от солнца и представляет собой тот же самый первобытный материал, который слился воедино, чтобы создать нашу планету. И оказывается, что он содержит много водорода. Это показатель его способности вносить воду в планетарную смесь. На самом деле, если бы вы построили планету из этого материала, у вас было бы воды как минимум на несколько океанов. Эти результаты, описанные в журнале Science, очень обрадовали Анну Пелье.
АННА ПЕСЛИЕ: Я была счастлива, потому что это делает его красивым и простым.
ГРИНФИЛДБОЙС: Она планетолог из Космического центра имени Джонсона НАСА в Хьюстоне, штат Техас, и не входила в состав исследовательской группы. Она говорит, что эта старая идея о том, что вода на Земле пришла из внешней части Солнечной системы, потребовала бы чего-то необычного, например, Юпитера, совершившего небольшое путешествие через внутреннюю часть Солнечной системы, чтобы отправить богатые водой астероиды, направляющиеся к нам.
ПЕСЛЬЕ: Так вот, Юпитер нам просто не нужен. Нам не нужно, чтобы он делал что-то странное. Мы просто берем материал, который был там, где сформировалась Земля, и оттуда берется вода.
ГРИНФИЛДБОЙС: Тем не менее, говорит она, даже если большая часть воды была там вначале, кометы и тому подобное, вероятно, позже доставили часть воды на Землю. Нелл Гринфилдбойс, NPR News.
(ЗВУК УРА ПЕСНИ ЗЕМЛИ, «КЛЮЧИ»)
Copyright © 2020 NPR. Все права защищены. Посетите страницы условий использования и разрешений нашего веб-сайта по адресу www.npr.org для получения дополнительной информации.
стенограммы NPR создаются в спешке подрядчиком NPR. Этот текст может быть не в своей окончательной форме и может быть обновлен или пересмотрен в будущем. Точность и доступность могут отличаться. Официальной записью программ NPR является аудиозапись.
Подсказки раскрывают истинное происхождение земной воды
В мифах о сотворении многих культур — от древней Месопотамии до Книги Бытия , от инуитов замерзшего севера до народа Куба в Конго — мир началось с бесформенных первобытных вод , часто связанных с хаосом и беспорядком, из которых с помощью руки бога-творца возникают суша, порядок и жизнь.
Тем не менее, эти истории никогда не утруждают себя объяснением происхождения самой мифической первозданной воды.
Современные планетологи, однако, пытаются объяснить физическое происхождение воды на Земле и предлагают покрытые льдом кометы и астероиды в качестве источника обильного запаса воды на планете. Однако новое исследование, опубликованное в Science , в котором анализируется состав редкого типа метеорита, предполагает, что большая часть нашей воды могла присутствовать в строительных блоках планеты с момента ее образования.
Водный мир
Если смотреть из космоса, голубые океаны нашей планеты являются доминантой, занимая более 70% поверхности Земли. В общей сложности имеется около 1,386 миллиарда км3 поверхностной воды или льда, что может показаться большим, но по сравнению с размером Земли может показаться довольно незначительным.
воды Земли по сравнению с размером Земли. Источник: USGS
Считается, что недра Земли, включая мантию и ядро, также содержат огромное количество воды, которое, возможно, стоит многих океанов.
Эта вода может действовать как своего рода смазка для тектоники плит, один из ключей к жизни на Земле, поскольку она перерабатывает углекислый газ через вулканы и поддерживает нашу планету в тепле. Есть также свидетельства того, что вода существует внутри Луны и Марса. Так откуда взялась вся эта вода?
Скалистые зачатки
Наш мир, наряду с другими каменистыми планетами Меркурием, Венерой и Марсом, сформировался во внутренней части Солнечной системы, вблизи Солнца, конденсируясь из вращающихся облаков пыли и газа в результате процесса, известного как аккреция. . В этой области космоса слишком жарко, чтобы лед или вода могли быть устойчивыми, свидетельство чего можно наблюдать в хвосте и коме комет, которые появляются, когда эти «грязные снежки» пробиваются внутрь Солнечной системы и начинают резко нагреваться.
Если Земля родилась горячей и сухой планетой, то вода должна была прибыть позже, после того, как планета остыла, предположительно принесенная ледяными кометами и астероидами из далекой Солнечной системы, которые бомбардировали молодую планету, засеяв ее своими вода, часть которой осталась на поверхности и стала нашими океанами, а оставшаяся часть ушла в мантию.
Столкновения с астероидами, вероятно, способствовали снабжению Земли водой. Источник: Pixabay
Хотя эта давняя теория имеет смысл, измерения соотношения дейтерия и водорода в воде различных комет, в том числе сделанные ЕКА 9Космический аппарат 0048 Rosetta в 2014 году показал, что кометная вода часто содержит значительно больше дейтерия, чем вода на Земле, что исключает возможность использования этих космических путешественников в качестве основного источника нашей воды.
Астероиды, с другой стороны, оказались лучше соответствующими изотопному составу земных океанов, но их небольшой размер и водная нагрузка означают, что для учета всей воды на Земле потребуется огромное количество столкновений. В качестве одного из объяснений некоторых из этих предполагаемых столкновений астероидов была предложена гипотеза большого пути, согласно которой Юпитер прошел через пояс астероидов в начале истории Солнечной системы.
В последние годы получила распространение идея о том, что, возможно, большая часть земной воды выращена в домашних условиях и образовалась в процессе формирования планет.
Ученые-планетологи используют водород в качестве показателя содержания воды; поскольку молекулы воды (h3O) состоят из атомов кислорода и водорода, и учитывая, что кислород в изобилии содержится в коре и мантии нашей планеты, поиск водорода в строительных блоках Земли сродни поиску воды. Однако, поскольку водород является самым легким газом, ученые долгое время предполагали, что его нельзя найти в планетарном материале, образовавшемся во внутренней части Солнечной системы вблизи Солнца.
Охотники за водородом
Лауретт Пиани, космохимик из Университета Лотарингии в Нанси, Франция, возглавляла группу исследователей, которые намеревались искать водород в материале, похожем на то, что образовало раннюю Землю. Они проанализировали очень редкий тип метеорита, называемый энстатитовым хондритом (EC), так как он имеет сходный изотопный состав с земными породами. Пиани объяснил OpenMind , что «мы точно не знаем, где образовались энстатитовые хондриты, но их химический и минералогический состав позволяет людям думать, что они образовались ближе к Солнцу, чем другие типы хондритов.
Их можно рассматривать как остатки планетарного материала, который присутствовал во внутренней части Солнечной системы (где образовались твердые планеты)».
Энстатитовые хондритовые метеориты встречаются крайне редко. Авторы и права: Кристин Фиени / Лоретт Пиани / Французский национальный музей естественной истории
Пиани и ее команда тщательно отобрали 13 нетронутых метеоритов ЕС и «применили специальную аналитическую процедуру, чтобы избежать искажения из-за присутствия земной воды», — говорит Пиани. То, что они обнаружили, было неожиданным. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Science , «метеориты EC содержат достаточно водорода, чтобы доставить на Землю как минимум в три раза больше массы воды в ее океанах. «Более того, изотопный состав водорода и азота в метеоритах совпадает с составом мантии Земли, что указывает на то, что большая часть атмосферного азота планеты также могла быть получена из этого материала.
Хотя соотношение дейтерия и водорода в проанализированных метеоритах ЕС близко соответствовало соотношению воды в недрах Земли, оно не соответствовало также и океанской воде, оставляя открытой дверь для идеи о том, что столкновения комет и астероидов также могут обогатили запасы воды на планете.
Глубокие последствия для инопланетной жизни
Последствия этого открытия того, что водородсодержащий материал присутствовал во внутренней части Солнечной системы во время формирования Земли, имеют далеко идущие последствия. Как говорит Пиани OpenMind , «этот материал (или материал, который также содержит водород) также присутствовал при формировании других каменистых планет (и, возможно, аналогичным образом в других звездных системах)». На самом деле ученые считают, что на Венере когда-то мог быть жидкий океан, и эта гипотеза подтверждается этим исследованием. И если, как предполагает Пиани, эти открытия можно экстраполировать на другие звездные системы, это означает, что планеты-океаны, вращающиеся в зоне Златовласки вокруг других звезд, могут изобиловать во Вселенной, что повышает вероятность существования другой жизни в космосе.
В космосе может быть много планет-океанов. Источник: Pixabay
Таким образом, может показаться, что мифы о сотворении мира всегда имели правильную идею.