Откуда на Земле вода? Учёные разгадали давнюю загадку
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, Mg2SiO5H2.
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 Mg2SiO5H2. 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».
