Ученые выяснили, что Земля могла создавать воду самостоятельно еще на стадии формирования

Ученые из Университета Нью-Мексико под руководством аспирантки Сусмиты Гарай и профессора Закари Шарпа обнаружили, что Земля могла самостоятельно производить огромные количества воды еще на стадии формирования — задолго до появления океанов. Исследование, опубликованное в журнале Nature Geoscience, показывает, как раскаленная атмосфера молодой планеты и падающие каменистые частицы запускали химическую реакцию, создававшую воду буквально из камня.

Когда мы думаем о появлении воды на Земле, на ум обычно приходят ледяные кометы, прилетевшие из дальних уголков Солнечной системы. Эта картина красива, но у нее есть слабое место: она не объясняет до конца, как вода оказалась на нашей планете в нужном количестве и почему химический состав земных пород выглядит именно так, а не иначе. Новое исследование предлагает куда более интригующий сценарий — вода рождалась прямо на месте, в огненном аду юной Земли.

Миллиарды лет назад наша планета представляла собой раскаленный шар, который постоянно бомбардировали мелкие каменистые частицы, так называемая галька, оседавшая из окружающего пространства. Этот процесс накопления материала ученые называют аккрецией гальки (галечная аккреция). По мере того как планета росла и становилась массивнее, над ее поверхностью формировалась плотная и очень горячая атмосфера, богатая водородом. И вот тут начиналось самое интересное: когда силикатная галька падала сквозь эту атмосферу, содержащийся в породах оксид железа вступал в реакцию с водородом. В результате железо восстанавливалось до металлического состояния, а побочным продуктом становился водяной пар.

Чтобы проверить эту гипотезу, команда провела серию высокотемпературных экспериментов. Образцы силикатных пород нагревали до температур от 1200 до 1400 градусов по Цельсию и пропускали через них потоки водорода, а для сравнения — потоки гелия. Эксперименты длились от 15 минут до 3 часов. Результаты оказались впечатляющими: в водородной среде почти восемьдесят процентов оксида железа превратилось в металлическое железо, и при этом активно образовывался водяной пар. В опытах с гелием ничего подобного не происходило, что подтвердило ключевую роль именно водорода.

Сама Сусмита Гарай признается, что они надеялись получить воду, но не ожидали, насколько быстро и в каких масштабах пойдет реакция. По словам Закари Шарпа, экстраполяция результатов показывает: таким образом на молодой Земле могло образоваться количество воды, эквивалентное сотням современных океанов. Трудно вообразить, что эта вода появилась 4,5 миллиарда лет назад в атмосфере, больше похожей на адское пекло, но химия неумолима — реакция шла и давала свой результат.

Есть у этого открытия и еще одна любопытная деталь. В ходе реакции металлическое железо, которое образовывалось из оксида, активно захватывало фосфор и буквально вытягивало его из силикатной породы. Когда это железо опускалось к ядру планеты, оно уносило с собой фосфор. Это элегантно объясняет давнюю загадку: почему в мантии Земли фосфора заметно меньше, чем в мантии Марса, и почему соотношение железа и магния в первичной земной мантии такое низкое. То есть предложенный механизм не только дарит планете воду, но и оставляет характерный химический отпечаток, который мы наблюдаем сегодня.

Значение полученных результатов не ограничивается прошлым нашей планеты. Если подобные условия складывались при формировании других каменистых миров, то же самое химическое производство воды могло работать и там. А значит, экзопланеты размером с Землю вполне могут наследовать целые океаны воды, а вместе с ними и шанс на возникновение жизни.

Ученые отмечают, что идея аккреции гальки появилась всего около десяти лет назад, но она уже помогает решить множество загадок планетообразования и, похоже, объясняет, почему наша планета в принципе пригодна для жизни. Разумеется, чтобы понять, какая именно доля земной воды родилась таким путем, а какая была принесена извне, нужны дальнейшие исследования.

В итоге можно сказать, что вода на Земле и других каменистых планетах может образовываться не где-то в далеком космосе, а прямо в процессе роста планеты, в реакции между падающими силикатными частицами и богатой водородом атмосферой. Такой механизм объясняет и происхождение земных океанов, и особенности химического состава мантии, а заодно расширяет представления о том, насколько распространенной может быть вода во Вселенной.