Предыдущая публикация
Земля родилась с водой — доставка не требуется
Земля — единственная из известных планет, на поверхности которой есть обширные океаны, а на суше — озёра и разветвлённые речные системы. Вода — источник жизни для биосферы, и без неё Земля была бы просто ещё одним мёртвым миром. Если жизнь на Земле — надёжный индикатор, то вода необходима для жизни, и точка.Около 71% поверхности Земли покрыто водой, и это определяющая особенность нашей планеты и её пригодности для жизни. Происхождение этой воды до сих пор обсуждается и не определено. Источник: EUMETSAT/ESA
-------------
Вот почему учёных так интересует, откуда на Земле взялась вода.
Долгое время исследователи рассматривали идею о том, что вода на Земле появилась из других частей Солнечной системы. Протопланетный диск, в котором формировались планеты, был массивным и имел «снежную линию». Это линия на диске, определяемая расстоянием от Солнца, за пределами которой летучие вещества, такие как водяной пар, могут конденсироваться.
Идея заключается 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 замороженном виде, либо в составе минералов. Это «гипотеза позднего покрытия», согласно которой вода была доставлена на Землю после того, как уже сформировалось её ядро.
Но всё больше данных и результатов моделирования показывают, что эта картина может быть неверной. Новое исследование опубликовано в The Astrophysical Journal Letters (https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ade5aa) опровергает гипотезу о позднем снежном покрове, показывая, что снеговая линия может не совсем точно отражать реальность. Реальность сложнее, чем представление о том, что сублимация воды происходит по принципу «включено/выключено», когда вся вода сублимируется с одной стороны снеговой линии и не сублимируется с другой.
-------------
Вот почему учёных так интересует, откуда на Земле взялась вода.
Долгое время исследователи рассматривали идею о том, что вода на Земле появилась из других частей Солнечной системы. Протопланетный диск, в котором формировались планеты, был массивным и имел «снежную линию». Это линия на диске, определяемая расстоянием от Солнца, за пределами которой летучие вещества, такие как водяной пар, могут конденсироваться.
Идея заключается 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 замороженном виде, либо в составе минералов. Это «гипотеза позднего покрытия», согласно которой вода была доставлена на Землю после того, как уже сформировалось её ядро.
Но всё больше данных и результатов моделирования показывают, что эта картина может быть неверной. Новое исследование опубликовано в The Astrophysical Journal Letters (https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ade5aa) опровергает гипотезу о позднем снежном покрове, показывая, что снеговая линия может не совсем точно отражать реальность. Реальность сложнее, чем представление о том, что сублимация воды происходит по принципу «включено/выключено», когда вся вода сублимируется с одной стороны снеговой линии и не сублимируется с другой.
На этой иллюстрации художника показано, как работает астрофизическая снеговая линия. Внутренняя часть Солнечной системы лишена воды из-за высокой температуры звезды, в то время как за её пределами вода может сублимироваться на частицах пыли. Источник: А. Анжелих (NRAO/AUI/NSF)
---------------
Исследование называется «Была ли вода на Земле сформирована локально на самых ранних этапах формирования Солнечной системы?». Ведущий автор исследования — Лиз Буатар-Крепо из Университета Гренобль-Альпы во Франции.
«Учёные сходятся во мнении, что молекулярная вода в основном образовалась на пылевых частицах микрометрового размера в самом начале формирования Солнечной системы, в молекулярном облаке и на дозвёздной стадии, где она оставалась замороженной в ледяной мантии, покрывающей частицы», — объясняют исследователи.
Со временем из этих частиц образовались камни, астероиды, кометы и даже каменистые планеты. Но когда засияло Солнце, условия изменились. Материал в протопланетном диске солнечной туманности нагрелся, и вода сублимировалась с поверхности пылевых частиц внутрь, к границе снегов, которая, по сути, является фронтом конденсации воды.
В результате условия внутри этой линии изменились. Вся вода, которая не была заключена внутри более крупных тел, рассеялась, и внутренний диск лишился воды. Именно там сформировались каменистые планеты. Земля сформировалась из этого сухого материала, а значит, вода должна была поступать из-за снежной линии, и это и есть гипотеза позднего покрытия.
---------------
Исследование называется «Была ли вода на Земле сформирована локально на самых ранних этапах формирования Солнечной системы?». Ведущий автор исследования — Лиз Буатар-Крепо из Университета Гренобль-Альпы во Франции.
«Учёные сходятся во мнении, что молекулярная вода в основном образовалась на пылевых частицах микрометрового размера в самом начале формирования Солнечной системы, в молекулярном облаке и на дозвёздной стадии, где она оставалась замороженной в ледяной мантии, покрывающей частицы», — объясняют исследователи.
Со временем из этих частиц образовались камни, астероиды, кометы и даже каменистые планеты. Но когда засияло Солнце, условия изменились. Материал в протопланетном диске солнечной туманности нагрелся, и вода сублимировалась с поверхности пылевых частиц внутрь, к границе снегов, которая, по сути, является фронтом конденсации воды.
В результате условия внутри этой линии изменились. Вся вода, которая не была заключена внутри более крупных тел, рассеялась, и внутренний диск лишился воды. Именно там сформировались каменистые планеты. Земля сформировалась из этого сухого материала, а значит, вода должна была поступать из-за снежной линии, и это и есть гипотеза позднего покрытия.
На этом рисунке, взятом из исследования, показано распределение энергии связи воды. Источник: рассчитано Л. Тиначчи и др., 2023, из The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/ade5aa
-------------
Но в этом новом понимании граница становится более размытой. Исследование основано на разработках в области квантовой химии, которые показывают, что не существует какой-то конкретной температуры, при которой вода связывается с частицами пыли. Вместо бинарной разделительной линии энергия связи подчиняется нормальному распределению значений.
«В то время как классическая снеговая линия опирается на единую температуру конденсации, недавние исследования в области квантовой химии показывают, что энергия связи (ЭС) воды на ледяных частицах имеет гауссово распределение, что подразумевает постепенную сублимацию воды, а не резкий переход», — пишут авторы. Исследователи вычислили распределение энергий связи, чтобы понять, как водяной лёд на частицах пыли распределялся по протопланетному диску протосолнечной туманности (ПСН).
-------------
Но в этом новом понимании граница становится более размытой. Исследование основано на разработках в области квантовой химии, которые показывают, что не существует какой-то конкретной температуры, при которой вода связывается с частицами пыли. Вместо бинарной разделительной линии энергия связи подчиняется нормальному распределению значений.
«В то время как классическая снеговая линия опирается на единую температуру конденсации, недавние исследования в области квантовой химии показывают, что энергия связи (ЭС) воды на ледяных частицах имеет гауссово распределение, что подразумевает постепенную сублимацию воды, а не резкий переход», — пишут авторы. Исследователи вычислили распределение энергий связи, чтобы понять, как водяной лёд на частицах пыли распределялся по протопланетному диску протосолнечной туманности (ПСН).
На этом рисунке показано, насколько отличаются линии заморозков при расчёте с использованием одной энергии связи (синяя линия) по сравнению с десятью различными энергиями связи (чёрная линия). Источник: The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/ade5aa
------------
Используя распределение различных энергий связи воды, исследователи определили границу снегов, которая на самом деле простирается на несколько астрономических единиц. «Принятие распределения энергий связи воды не приводит к образованию единой границы снегов, внутри которой водяной лёд полностью десорбируется и остаётся „полностью сухим“, как это часто предполагается, а скорее к образованию переходной зоны, простирающейся на несколько астрономических единиц», — пишут исследователи.
Всё это произошло очень давно, и, помимо самой Земли, мы можем искать доказательства только в астероидах и метеоритах. Чтобы результаты исследования были точными, необходимо воспроизвести изобилие воды на Земле и соотношение её изотопов, а также характер гидратации, наблюдаемый в метеоритах. Хондриты не изменились с момента зарождения Солнечной системы и являются важным связующим звеном с далёким прошлым.
Исследование показывает, что, хотя основная масса водяного льда десорбируется на расстоянии более одной астрономической единицы, небольшой процент остается прикрепленным к пылинкам внутри этого предела из-за различной энергии связи. "Эта небольшая фракция, от ∼ 0,04 до 2,5 мас.%, может полностью компенсировать содержание воды в Земле", - пишут авторы. "В свою очередь, земная вода могла быть в основном унаследована от пылинок, которые находились на орбите Земли, без необходимости миграции внешних частиц".
Таким образом, количество воды на Земле соответствует результатам исследования. А что насчёт хондритов?
«Наша модель также успешно воспроизводит наблюдаемую тенденцию изменения содержания воды в разных группах хондритов», — пишут авторы. Несмотря на то, что родительские тела этих хондритов образовались в разное время, содержание воды в них «вероятно, представляет собой нижнюю границу содержания примитивной воды, изначально содержавшейся в зёрнах силикатной пыли — строительных блоках хондритовых матриц», — объясняют они.
«Таким образом, в свете вышеизложенного можно предположить, что земная вода была унаследована от ледяных зёрен на орбите Земли, то есть образовалась локально», — пишут авторы. Их результаты также согласуются с идеей о том, что энстатитовые хондриты (ЭХ), редкая форма метеоритов, являются строительными блоками Земли. Энстатитовые хондриты имеют такое же соотношение изотопов, как и земная вода, и исследователи считают, что они образовались вблизи земной орбиты.
Вопрос о сроках возникновения гипотезы позднего формирования всегда был непростым. Как могло случиться, что нужное количество воды попало на Землю в нужное время, не нарушив процесс формирования планеты? Если Земля постепенно насыщалась водой в процессе формирования, то этот вопрос можно обойти стороной.
https://youtu.be/9tgsJ8vzJgo
------------
Используя распределение различных энергий связи воды, исследователи определили границу снегов, которая на самом деле простирается на несколько астрономических единиц. «Принятие распределения энергий связи воды не приводит к образованию единой границы снегов, внутри которой водяной лёд полностью десорбируется и остаётся „полностью сухим“, как это часто предполагается, а скорее к образованию переходной зоны, простирающейся на несколько астрономических единиц», — пишут исследователи.
Всё это произошло очень давно, и, помимо самой Земли, мы можем искать доказательства только в астероидах и метеоритах. Чтобы результаты исследования были точными, необходимо воспроизвести изобилие воды на Земле и соотношение её изотопов, а также характер гидратации, наблюдаемый в метеоритах. Хондриты не изменились с момента зарождения Солнечной системы и являются важным связующим звеном с далёким прошлым.
Исследование показывает, что, хотя основная масса водяного льда десорбируется на расстоянии более одной астрономической единицы, небольшой процент остается прикрепленным к пылинкам внутри этого предела из-за различной энергии связи. "Эта небольшая фракция, от ∼ 0,04 до 2,5 мас.%, может полностью компенсировать содержание воды в Земле", - пишут авторы. "В свою очередь, земная вода могла быть в основном унаследована от пылинок, которые находились на орбите Земли, без необходимости миграции внешних частиц".
Таким образом, количество воды на Земле соответствует результатам исследования. А что насчёт хондритов?
«Наша модель также успешно воспроизводит наблюдаемую тенденцию изменения содержания воды в разных группах хондритов», — пишут авторы. Несмотря на то, что родительские тела этих хондритов образовались в разное время, содержание воды в них «вероятно, представляет собой нижнюю границу содержания примитивной воды, изначально содержавшейся в зёрнах силикатной пыли — строительных блоках хондритовых матриц», — объясняют они.
«Таким образом, в свете вышеизложенного можно предположить, что земная вода была унаследована от ледяных зёрен на орбите Земли, то есть образовалась локально», — пишут авторы. Их результаты также согласуются с идеей о том, что энстатитовые хондриты (ЭХ), редкая форма метеоритов, являются строительными блоками Земли. Энстатитовые хондриты имеют такое же соотношение изотопов, как и земная вода, и исследователи считают, что они образовались вблизи земной орбиты.
Вопрос о сроках возникновения гипотезы позднего формирования всегда был непростым. Как могло случиться, что нужное количество воды попало на Землю в нужное время, не нарушив процесс формирования планеты? Если Земля постепенно насыщалась водой в процессе формирования, то этот вопрос можно обойти стороной.
https://youtu.be/9tgsJ8vzJgo
10:17
С выводами исследователей всё ещё есть некоторые проблемы, и они указывают на них в своей статье. Например, текущее соотношение тяжёлой воды (дейтерия) и обычной воды на Земле эквивалентно соотношению элементов. Но текущее соотношение может не соответствовать реальному соотношению элементов из-за «различных процессов, в результате которых вода циркулирует между поверхностью и недрами Земли», — объясняют авторы. Эти процессы могли изменить соотношение.
Исследователи показали, что водяной лёд не обязательно сублимируется по чётко определённой линии. Вместо этого из-за диапазона энергий связи даже внутри общепринятой снеговой линии часть воды может сохраняться внутри горных пород и более крупных зёрен. Они также показали, что может сохраниться достаточное количество воды, чтобы объяснить наличие воды на Земле.
«Таким образом, эти результаты свидетельствуют о том, что значительная часть воды на Земле могла образоваться локально, без необходимости доставки из-за классической снеговой линии», — заключают авторы.
Это не положит конец гипотезе о позднем формировании земной коры, но если дальнейшие исследования подтвердят эту гипотезу, то идея о том, что вода на Земле появилась из других источников и была доставлена кометами и астероидами, станет менее убедительной.
Исследователи показали, что водяной лёд не обязательно сублимируется по чётко определённой линии. Вместо этого из-за диапазона энергий связи даже внутри общепринятой снеговой линии часть воды может сохраняться внутри горных пород и более крупных зёрен. Они также показали, что может сохраниться достаточное количество воды, чтобы объяснить наличие воды на Земле.
«Таким образом, эти результаты свидетельствуют о том, что значительная часть воды на Земле могла образоваться локально, без необходимости доставки из-за классической снеговой линии», — заключают авторы.
Это не положит конец гипотезе о позднем формировании земной коры, но если дальнейшие исследования подтвердят эту гипотезу, то идея о том, что вода на Земле появилась из других источников и была доставлена кометами и астероидами, станет менее убедительной.
Следующая публикация
Комментарии 5