- 27,668
- 46
- 8 Ноя 2022
В лаборатории воссоздали условия молодой Земли — и она внезапно начала производить H2O сама.
Ученые до сих пор не знают, откуда на Земле взялись океаны. Долгое время главный ответ искали в космосе: воду могли принести кометы или астероиды. Теперь к двум версиям добавилась третья: молодая Земля могла сама создавать воду из водорода в ранней атмосфере и кислорода в расплавленных породах.
Вода остается главным ориентиром при поиске жизни за пределами Земли. По этой причине NASA отправляет аппараты к ледяным мирам вроде Европы, спутника Юпитера, где под ледяной корой может скрываться океан. На металлическую пластину одного из космических аппаратов нанесли стихотворение Ады Лимон, написанное во время ее работы поэтом-лауреатом США. Для планетологов жидкая вода в подобных миссиях не символ, а практический признак среды, где в принципе возможна жизнь.
С Землей проблема сложнее. Планета сформировалась около 4,54 миллиарда лет назад и в ранний период была раскаленным телом из расплавленной породы. Позднее поверхность остыла, появилась кора, а над ней - огромные запасы жидкой воды. Главный спор начинается с вопроса, пережили ли эти запасы огненную молодость планеты или появились уже после остывания поверхности.
Кометная версия долгое время казалась удобной. Кометы состоят из льда, пыли и замерзших газов, а многие из них проводят большую часть времени далеко от Солнца: в поясе Койпера за орбитой Нептуна или в облаке Оорта на окраине Солнечной системы. При сближении с Солнцем лед и летучие вещества испаряются, вокруг ядра появляется хвост, иногда растянутый на сотни миллионов километров. Для молодой Земли падение ледяных тел могло стать быстрым способом получить много воды.
Проверка началась с космических аппаратов. В 1986 году европейская миссия Giotto приблизилась к комете Галлея, которая возвращается к окрестностям Земли примерно раз в 76 лет. Аппарат передал первые близкие снимки кометного ядра и измерил состав вещества вокруг него. Больше всего ученых интересовало отношение дейтерия к обычному водороду, или показатель D/H.
Дейтерий - тяжелая разновидность водорода. Обычная молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. В тяжелой воде место обычного водорода занимает дейтерий. Если кометы принесли значительную часть земных океанов, соотношение дейтерия и водорода в кометной воде должно хотя бы примерно совпадать с земным.
Комета Галлея под это условие не подошла. Показатель D/H оказался примерно вдвое выше, чем у большей части воды на Земле. Позднее наблюдения других комет, включая Хейла-Боппа, тоже указали на избыток тяжелой воды. В 2014 году миссия Rosetta вышла на орбиту кометы 67P/Чурюмова-Герасименко и получила самые точные на тот момент данные о составе кометного вещества. У 67P нашли самую высокую концентрацию дейтерия среди измеренных комет, и кометная гипотеза потеряла часть сторонников.
После этого внимание сместилось к астероидам . Эти каменистые тела содержат больше металлов, чаще сталкиваются с Землей и в основном находятся в поясе между Марсом и Юпитером. Запасы воды в астероидах меньше, чем в кометах, но химический состав во многих случаях ближе к земному. Ученые изучили десятки тысяч метеоритов и нашли группу, где вода по соотношению дейтерия и водорода напоминает океаническую.
В 2021 году дополнительный аргумент дал метеорит, упавший в британском городе Уинчкомб. Обломок оставил заметную вмятину на подъездной дорожке у дома, а анализ показал почти полное совпадение с земной водой по D/H. Похожий результат получили при изучении образцов астероида Рюгу. Японский аппарат Hayabusa2 посетил Рюгу в 2018 году и доставил материал на Землю, а исследование 2023 года показало близость водных следов в этих образцах к воде нашей планеты.
Но астероиды тоже не дают полного ответа. Метеориты могут загрязняться во время пролета через атмосферу и после падения. Образцы, привезенные напрямую с астероида, снижают риск загрязнения, но оставляют другой вопрос: благородные газы. Аргон, криптон и ксенон почти не вступают в химические реакции и помогают отслеживать происхождение вещества. В астероидах смеси этих газов обычно не совпадают с земными.
У кометной и астероидной версий есть общий слабый пункт: обе требуют удачной доставки воды после стадии океана магмы. Земля должна была получить нужное количество ледяного или водосодержащего вещества в подходящий период, когда поверхность уже могла удерживать воду. Позднюю бомбардировку раньше часто принимали как объяснение, но сейчас планетологи спорят, была ли она достаточно мощной и своевременной.
Третья версия убирает часть зависимости от космических ударов. Молодая Земля могла создавать воду внутри собственной ранней системы. Для этого нужны водород в атмосфере и кислород в магме. В расплавленных породах кислорода было много, а при достаточно плотной водородной оболочке химические реакции могли соединять оба элемента в воду.
Долгое время раннюю Землю считали бедной водородом. Такой вывод делали по энстатитовым хондритам - метеоритам, химически близким к материалу, из которого сформировалась наша планета. Первые анализы не показывали заметных запасов водорода. Позднее несколько работ нашли его в органических молекулах, силикатных стеклах и соединениях серы. Значит, исходное вещество Земли могло содержать больше водорода, чем считалось раньше.
В 2023 году исследователи рассчитали , что водородная атмосфера и кислородсодержащая магма способны давать воду. Главный вопрос касался масштаба реакции. Водород и кислород не обязаны быстро соединяться без подходящих условий, поэтому оставалось понять, может ли процесс произвести заметный объем воды, а не следовые количества.
Ответ начали искать на примере экзопланет класса субнептунов. Субнептуны крупнее Земли примерно в два-четыре раза по диаметру и часто встречаются у других звезд. Наблюдения показывают, что некоторые из них могут иметь богатые водой атмосферы, даже находясь близко к горячим звездам. Исследователи проверили, способна ли реакция между водородной атмосферой и океаном магмы объяснить появление водяного пара на подобных планетах.
Команда физика Харрисона Хорна из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, геофизика С.-Х. Дэна Шима из Университета штата Аризона и их коллег пять лет готовила лабораторные опыты. Ученым нужно было сжимать горючий водород в алмазных наковальнях и одновременно плавить образцы пород лазерами. Установка воспроизводила давление и температуру, возможные на молодых субнептунах.
Эксперимент показал, что водород под высоким давлением реагирует с расплавленной породой намного активнее, чем ожидали расчеты. В некоторых опытах образовывалось до тысячи раз больше воды, чем предсказывали модели. Другая лабораторная работа , опубликованная примерно в тот же период, пришла к близкому выводу: водород и магма при экстремальных условиях могут быстро создавать большие запасы воды.
К Земле этот механизм применяют осторожно. Субнептуны намного массивнее нашей планеты, сильнее удерживают водород и легче создают давление, нужное для реакции. Земля находится у нижней границы условий, при которых процесс вообще может работать. Часть ученых допускает образование некоторого количества воды на ранней Земле, но сомневается, что одной реакции хватило на все океаны.
Есть и более смелая оценка. Если плотная водородная атмосфера существовала недолго, а реакция шла очень быстро, молодой планете могло хватить короткого периода для заметного вклада в водные запасы. В таком сценарии Земля не получала всю воду извне, а часть океанов собиралась прямо во время ранней химической эволюции планеты.
Этот вариант важен для изучения планет у других звезд. Если каменистые миры способны производить воду из водорода и расплавленных пород, наличие воды не обязано зависеть только от поздних ударов комет и астероидов. При подходящих начальных условиях водные запасы могут появляться во время формирования планет .
Кометы при этом возвращаются в спор. В 2011 году космическая обсерватория Herschel изучила комету Хартли 2 и обнаружила отношение дейтерия к водороду, близкое к земному. На фоне прежних измерений этот результат долгое время выглядел исключением.
Позднее ученые пересмотрели данные Rosetta по комете 67P. В работе 2024 года появилась версия, что аппарат во время измерений проходил через пыль, богатую тяжелой водой. Из-за этого состав ядра мог казаться более далеким от земного, чем был на самом деле. В 2025 году похожий на земной показатель D/H нашли у кометы 12P/Понса-Брукса.
Сейчас спор о происхождении земной воды не сводится к выбору одного источника. Астероиды хорошо объясняют совпадение по водородным изотопам, но хуже - состав благородных газов. Кометы раньше плохо подходили по D/H, но новые данные частично возвращают их в обсуждение. Реакция водорода с магмой показывает, что часть воды могла возникнуть на самой Земле.
Дальше ученым придется уточнять долю каждого источника. На результат влияют ранняя атмосфера, состав магмы, поздние столкновения, геологические процессы и миллиарды лет переработки вещества внутри планеты. Новые эксперименты добавили к спору важный пункт: Земля могла быть не только получателем воды из космоса, но и участником собственного водного производства.
Ученые до сих пор не знают, откуда на Земле взялись океаны. Долгое время главный ответ искали в космосе: воду могли принести кометы или астероиды. Теперь к двум версиям добавилась третья: молодая Земля могла сама создавать воду из водорода в ранней атмосфере и кислорода в расплавленных породах.
Вода остается главным ориентиром при поиске жизни за пределами Земли. По этой причине NASA отправляет аппараты к ледяным мирам вроде Европы, спутника Юпитера, где под ледяной корой может скрываться океан. На металлическую пластину одного из космических аппаратов нанесли стихотворение Ады Лимон, написанное во время ее работы поэтом-лауреатом США. Для планетологов жидкая вода в подобных миссиях не символ, а практический признак среды, где в принципе возможна жизнь.
С Землей проблема сложнее. Планета сформировалась около 4,54 миллиарда лет назад и в ранний период была раскаленным телом из расплавленной породы. Позднее поверхность остыла, появилась кора, а над ней - огромные запасы жидкой воды. Главный спор начинается с вопроса, пережили ли эти запасы огненную молодость планеты или появились уже после остывания поверхности.
Кометная версия долгое время казалась удобной. Кометы состоят из льда, пыли и замерзших газов, а многие из них проводят большую часть времени далеко от Солнца: в поясе Койпера за орбитой Нептуна или в облаке Оорта на окраине Солнечной системы. При сближении с Солнцем лед и летучие вещества испаряются, вокруг ядра появляется хвост, иногда растянутый на сотни миллионов километров. Для молодой Земли падение ледяных тел могло стать быстрым способом получить много воды.
Проверка началась с космических аппаратов. В 1986 году европейская миссия Giotto приблизилась к комете Галлея, которая возвращается к окрестностям Земли примерно раз в 76 лет. Аппарат передал первые близкие снимки кометного ядра и измерил состав вещества вокруг него. Больше всего ученых интересовало отношение дейтерия к обычному водороду, или показатель D/H.
Дейтерий - тяжелая разновидность водорода. Обычная молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. В тяжелой воде место обычного водорода занимает дейтерий. Если кометы принесли значительную часть земных океанов, соотношение дейтерия и водорода в кометной воде должно хотя бы примерно совпадать с земным.
Комета Галлея под это условие не подошла. Показатель D/H оказался примерно вдвое выше, чем у большей части воды на Земле. Позднее наблюдения других комет, включая Хейла-Боппа, тоже указали на избыток тяжелой воды. В 2014 году миссия Rosetta вышла на орбиту кометы 67P/Чурюмова-Герасименко и получила самые точные на тот момент данные о составе кометного вещества. У 67P нашли самую высокую концентрацию дейтерия среди измеренных комет, и кометная гипотеза потеряла часть сторонников.
После этого внимание сместилось к астероидам . Эти каменистые тела содержат больше металлов, чаще сталкиваются с Землей и в основном находятся в поясе между Марсом и Юпитером. Запасы воды в астероидах меньше, чем в кометах, но химический состав во многих случаях ближе к земному. Ученые изучили десятки тысяч метеоритов и нашли группу, где вода по соотношению дейтерия и водорода напоминает океаническую.
В 2021 году дополнительный аргумент дал метеорит, упавший в британском городе Уинчкомб. Обломок оставил заметную вмятину на подъездной дорожке у дома, а анализ показал почти полное совпадение с земной водой по D/H. Похожий результат получили при изучении образцов астероида Рюгу. Японский аппарат Hayabusa2 посетил Рюгу в 2018 году и доставил материал на Землю, а исследование 2023 года показало близость водных следов в этих образцах к воде нашей планеты.
Но астероиды тоже не дают полного ответа. Метеориты могут загрязняться во время пролета через атмосферу и после падения. Образцы, привезенные напрямую с астероида, снижают риск загрязнения, но оставляют другой вопрос: благородные газы. Аргон, криптон и ксенон почти не вступают в химические реакции и помогают отслеживать происхождение вещества. В астероидах смеси этих газов обычно не совпадают с земными.
У кометной и астероидной версий есть общий слабый пункт: обе требуют удачной доставки воды после стадии океана магмы. Земля должна была получить нужное количество ледяного или водосодержащего вещества в подходящий период, когда поверхность уже могла удерживать воду. Позднюю бомбардировку раньше часто принимали как объяснение, но сейчас планетологи спорят, была ли она достаточно мощной и своевременной.
Третья версия убирает часть зависимости от космических ударов. Молодая Земля могла создавать воду внутри собственной ранней системы. Для этого нужны водород в атмосфере и кислород в магме. В расплавленных породах кислорода было много, а при достаточно плотной водородной оболочке химические реакции могли соединять оба элемента в воду.
Долгое время раннюю Землю считали бедной водородом. Такой вывод делали по энстатитовым хондритам - метеоритам, химически близким к материалу, из которого сформировалась наша планета. Первые анализы не показывали заметных запасов водорода. Позднее несколько работ нашли его в органических молекулах, силикатных стеклах и соединениях серы. Значит, исходное вещество Земли могло содержать больше водорода, чем считалось раньше.
В 2023 году исследователи рассчитали , что водородная атмосфера и кислородсодержащая магма способны давать воду. Главный вопрос касался масштаба реакции. Водород и кислород не обязаны быстро соединяться без подходящих условий, поэтому оставалось понять, может ли процесс произвести заметный объем воды, а не следовые количества.
Ответ начали искать на примере экзопланет класса субнептунов. Субнептуны крупнее Земли примерно в два-четыре раза по диаметру и часто встречаются у других звезд. Наблюдения показывают, что некоторые из них могут иметь богатые водой атмосферы, даже находясь близко к горячим звездам. Исследователи проверили, способна ли реакция между водородной атмосферой и океаном магмы объяснить появление водяного пара на подобных планетах.
Команда физика Харрисона Хорна из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, геофизика С.-Х. Дэна Шима из Университета штата Аризона и их коллег пять лет готовила лабораторные опыты. Ученым нужно было сжимать горючий водород в алмазных наковальнях и одновременно плавить образцы пород лазерами. Установка воспроизводила давление и температуру, возможные на молодых субнептунах.
Эксперимент показал, что водород под высоким давлением реагирует с расплавленной породой намного активнее, чем ожидали расчеты. В некоторых опытах образовывалось до тысячи раз больше воды, чем предсказывали модели. Другая лабораторная работа , опубликованная примерно в тот же период, пришла к близкому выводу: водород и магма при экстремальных условиях могут быстро создавать большие запасы воды.
К Земле этот механизм применяют осторожно. Субнептуны намного массивнее нашей планеты, сильнее удерживают водород и легче создают давление, нужное для реакции. Земля находится у нижней границы условий, при которых процесс вообще может работать. Часть ученых допускает образование некоторого количества воды на ранней Земле, но сомневается, что одной реакции хватило на все океаны.
Есть и более смелая оценка. Если плотная водородная атмосфера существовала недолго, а реакция шла очень быстро, молодой планете могло хватить короткого периода для заметного вклада в водные запасы. В таком сценарии Земля не получала всю воду извне, а часть океанов собиралась прямо во время ранней химической эволюции планеты.
Этот вариант важен для изучения планет у других звезд. Если каменистые миры способны производить воду из водорода и расплавленных пород, наличие воды не обязано зависеть только от поздних ударов комет и астероидов. При подходящих начальных условиях водные запасы могут появляться во время формирования планет .
Кометы при этом возвращаются в спор. В 2011 году космическая обсерватория Herschel изучила комету Хартли 2 и обнаружила отношение дейтерия к водороду, близкое к земному. На фоне прежних измерений этот результат долгое время выглядел исключением.
Позднее ученые пересмотрели данные Rosetta по комете 67P. В работе 2024 года появилась версия, что аппарат во время измерений проходил через пыль, богатую тяжелой водой. Из-за этого состав ядра мог казаться более далеким от земного, чем был на самом деле. В 2025 году похожий на земной показатель D/H нашли у кометы 12P/Понса-Брукса.
Сейчас спор о происхождении земной воды не сводится к выбору одного источника. Астероиды хорошо объясняют совпадение по водородным изотопам, но хуже - состав благородных газов. Кометы раньше плохо подходили по D/H, но новые данные частично возвращают их в обсуждение. Реакция водорода с магмой показывает, что часть воды могла возникнуть на самой Земле.
Дальше ученым придется уточнять долю каждого источника. На результат влияют ранняя атмосфера, состав магмы, поздние столкновения, геологические процессы и миллиарды лет переработки вещества внутри планеты. Новые эксперименты добавили к спору важный пункт: Земля могла быть не только получателем воды из космоса, но и участником собственного водного производства.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
