Землю часто называют «Голубой планетой» и не только из-за состава атмосферы, который придает планете нежный голубоватый оттенок, но и благодаря океанам, покрывающим более 70% земной поверхности. Именно в океанах появилась жизнь и поэтому ученых занимает вопрос, когда и как появилась вода на Земле.
Ранее считалось, что океаны сформировались на нашей планете, когда та уже была достаточно «взрослой», но последние исследования, проведенные в Океанографическом институте Вудс-Холл (США) доказывают, вода на Земле были всегда.
Согласно существовавшей ранее теории планеты формируются сухими, так как их образование связано с высокоэнергичными и ударными процессами. Если на «юных» планетах и есть водные молекулы, то они испаряются, пока планета не завершит стадию образования. Вода на планетарные тела попадает уже после окончания их формирования, после падения комет и «мокрых» астероидов, состоящих их замороженной воды и газов. По этой теории, вся вода, существующая на Земле сегодня, попала на планету спустя миллионы лет после ее рождения.
В своих исследованиях ученые из института Вудс-Холл, обратились к углистым хондритам, которые также являются потенциальным источником планетарной воды. Самые простые метеориты из этого вещества были образованы в потоке пыли, льда и газов, породивших Солнце, задолго до появления других тем нашей звездной системы.
По словам сотрудника Вудс-Холл Суне Нильсена, именно углисто-хондритовые метеориты являются самыми распространенными объектами в Солнечной системе. В них содержится достаточно большое количество водных молекул и ранее они считались главным источником появления воды на нашей планете.
Чтобы выяснить, когда и как появилась вода на Земле, ученые измерили соотношение стабильных изотопов водорода, обычного с одним нейтроном и дейтерия с двумя. В различных областях нашей звездной системы они это соотношение различается. Далее исследователи пришли к выводу, что сравнение соотношения углистых хондритов в объекте, сформировавшемся одновременно с нашей планетой, может помочь ответить на вопрос когда и как появилась вода на Земле.
Астероиды 4-Веста был сформированы в том же районе, что и Земля и одновременно с ней. Их покрывает базальтовый слой застывшей лавы. Эти небесные тела являются древнейшими резервуарами водорода в нашей системе, так как появились спустя 14 миллионов лет после рождения Солнечной системы. В это время наша планета была на стадии своего формирования. Благодаря, всем этим характеристикам 4-Веста, стали идеальными объектами определения того, как появилась вода на Земле и когда.
Проанализировав собранные НАСА образцы, ученые пришли к выводу:в них такое же соотношение изотопов водорода и азота, что и в углистых хондритах, и в составе Земли. Это делает их самым вероятным источником водных молекул в Солнечной системе. Следовательно, водные ресурсы появились на Земле одновременно с твердыми породами. Наша планета была рождена в воде.
В ходе исследований ученые не учитывали воду, попавшую на планету позднее, так как это не являлось необходимым. На Земле в ее «детские годы» уже было достаточно водных ресурсов для рождения океанов. В сочетании с остальными условиями на заре формирования нашей планеты это привело к рождению жизни на Земле. Возможно, что и на других планетных телах существовало достаточно влаги для появления живых существ, однако изменение климата позднее сделало их непригодными для жизни.
Как и когда появилась вода на Земле? Ученые до сих пор дискутируют на эту тему, однако точного и логично доказанного ответа пока никто не дал. На сегодняшний день существует несколько предположений, каким образом жидкость могла образоваться на планете. Среди них есть как полностью абсурдные, так и достаточно логичные гипотезы, однако пока что ни одна из них не является полностью достоверной.
Как появилась вода на Земле? Кратко об основных гипотезах
Вода играет большую роль в поддержании жизни на планете, т. к. она является основной внутренней средой любого организма. Без воды человек может в среднем продержаться не более трех дней, а потеря 15-20% жидкости зачастую приводит к смерти.
Как появилась вода на Земле? Гипотезы образования этого вещества немногочисленны, а также ни одна из них еще не получила правдивых доказательств. Тем не менее только они могут хоть как-то объяснить формирование гидросферы нашей планеты.
Гипотеза космического происхождения воды
Группа исследователей выдвинула предположение, что вода появилась вместе с многочисленными падающими метеоритами. Это происходило около 4,4 миллиарда лет назад, когда планета еще зарождалась, а ее поверхность представляла собой сухую опустошенную землю, над которой еще не сформировалась атмосфера.
На вопрос, как появилась вода на Земле, приверженцы данной гипотезы отвечают, что первые молекулы этой жидкости приносили с собой метеориты. Сначала эти молекулы существовали в форме газа и накапливались, а позже, когда планета начала остывать, вода перешла в жидкое состояние и образовала гидросферу Земли.
Возможно, химическое образование воды произошло из первичных протонов водорода и анионов кислорода, однако вероятность протекания такой реакции в толще небесных тел, которые в последующем падали на Землю, катастрофически мала.
Еще одна гипотеза, как появилась вода на Земле
Ее предложила группа исследователей во главе с известным ученым В.С. Сафроновым. Суть его предположения заключается в земном происхождении воды, которая образовалась в недрах планеты.
Под действием многочисленных падений метеоритов наша на тот момент раскаленная планета стала формировать большое количество вулканов, из которых вырывалась магма. Вместе с ней на поверхность выделялся «водяной пар», который и стал причиной образование гидросферы Земли.
Несмотря на то что теория положила в основу земное происхождение воды, она не может ответить на многие вопросы. Например, каким образом породы в литосфере настолько сильно расплавились, чтобы повлечь образование множества вулканов? И каким образом водяной пар образовался? Сначала ученые предположили, что на тот момент существовала грунтовая вода, которая через жерла вулканов вместе с магмой вырвалась наружу в газообразном состоянии.
Эту теорию образования пара опроверг П.Перро, естествоиспытатель 17-ого века. Он доказал, что грунтовые воды образовались из-за выпадения осадков, а для этого необходимо наличие атмосферы. 4,4 миллиарда лет назад атмосферы не существовало.
И последняя теория
Так как появилась вода на Земле? Еще одна гипотеза смогла подойти с другой стороны к вопросу о формировании гидросферы планеты. Как и прошлое предположение В.С. Сафронового и его соавторов, данная гипотеза отталкивается от земного происхождения воды.
Отличием является то, что по мнению исследователей, молекулы воды образовались вместе с протопланетным диском Земли, т.е. в момент формирования самой планеты. Источником молекул воды послужили дейтерий и кислород.
Дейтерий представляет собой обычный водород с одним нейтроном в ядре. Этот тяжелый изотоп был найден в образцах древних базальтов, обнаруженных в Арктике на острове Баффинова Земля (1985 год). Эти породы образованы из частиц протопланетной пыли, не подвергшихся воздействию в ходе формирования планеты. Как утверждают исследователи, химическая природа дейтерия не позволила бы изотопу образоваться вне планеты.
Вот как появилась вода на Земле по мнению этих ученых. Если их данные верны, при формировании протопланетного диска образовалось около 20% современного мирового океана. Сегодня исследователи ищут способ доказать, что из "протопланетной" воды образовалась большая часть мирового океана, а также атмосферные водяные пары и грунтовые воды.
Когда возникла Земля, она была слишком горячей для воды. Но откуда она тогда появилась? Два новых исследования рассказывают о том, как Юпитер сыграл свою роль.
Человечество существует, поскольку произошел настоящий взрыв. И не раз. В часы рождения Солнечной системы из частиц пыли вначале возникли мелкие кусочки, а затем большие астероиды. Массивные тела постоянно сливались друг с другом и расплавлялись в новом теле. В конце концов, осталось только несколько планетарных осколков, которые постепенно освобождали свой путь вокруг солнца. Так 4,5 миллиарда лет назад возникла Земля.
Эта теория возникновения Земли представляет собой научный компромисс. Только он дает ответ далеко не на все вопросы. Откуда на голубой планете появилась вода? Ведь исследователи едины во мнении о том, что когда сформировалась Земля, она была слишком горячей для молекул воды. Есть несколько теорий о ее происхождении.
Сразу два актуальных исследования продвигают одну из новейших теорий, согласно которой Юпитер сыграл одну из ведущих ролей. Вода и другие жидкие вещества были занесены на Землю не так, как об этом думали ранее, на более позднем этапе при помощи комет и астероидов, а уже на первой стадии возникновения планеты.
Вначале была жара
Когда произошла космическая бомбардировка, внутри Солнечной системы температура была настолько высокой, что вода существовала только в форме газа. Но этот газ молодые, несформировавшиеся планеты не могли принять. Вместо этого сильный солнечный ветер нес его в глубины космического пространства. Только позднее жизненно важное химическое соединение H20 вернулось из внешней холодной Солнечной системы. Когда? И как?
Исследование ученых Марио Фишера-Гедде (Mario Fischer-Gödde) и Торстена Кляйне (Thorsten Kleine) из Университета Мюнстера указывает на то, что странное движение планеты Юпитера в ходе первых миллионов лет солнечной системы занесло воду обратно к Земле. Эти данные противоречат распространенной теории, согласно которой вода оказалась на Земле только на последней фазе возникновения Земли 4,4-3,9 миллиардов лет назад при помощи метеоритов и астероидов. Их главный аргумент — редкий элемент Рутений.
У материала особые свойства. Он тяготеет к железу, сидерофильный, как говорят исследователи, и поэтому на начальной стадии возникновения планеты по большей части опустился к ядру, которое содержит железо. Но рутений находится и в слоях коры Земли и мантии. Идеально для Фишера-Гедде и Кляйне, потому что тем самым они знают, что рассказать о недавней истории Земли.
Блуждающий Юпитер
Земной рутений обладает специфическим составом. Он состоит из атомов с различным числом нейтронов, изотопов и обладает тем самым своего рода химическим отпечатком пальцев, который команда могла сравнить с рутением с молодых метеоритов.
В зависимости от происхождения метеоритов, которые являются остатками молодой Солнечной системы, состав их рутения также отличается. Кометы, содержащие воду, из внешней Солнечной системы имеют другой «отпечаток пальцев», нежели у сухих метеоритов из внутренней Солнечной системы. Происхождение мантии из последней стадии возникновения Земли может быть объяснено этим.
Результаты исследования Фишера-Гедде показывают, что мантия происходит из метеоритов из семьи энстатитового хондрита. Богатые водой объекты из внешней Солнечной системы, по всей видимости, не разрушились.
«Поскольку мы можем исключить, что вода прибыла на Землю вместе с метеоритами, это произошло именно до того», — говорит Торстен Кляйне. Его исследования обосновывают закрепленную только несколько лет назад модель «Большого разворота».
В соответствии с этой моделью молодой Юпитер дрейфовал в сторону внутренней Cолнечной системы из-за эффекта газовой оболочки планеты. Когда позднее возник Сатурн, его вновь потянуло наружу, на сегодняшнюю орбиту. В то время как газовый гигант на обратном пути подталкивал каменистый материал к Солнцу, он отбросил метеориты и воду из внешней Cолнечной системы в сторону Земли. «Тем самым в определенное время на Землю поступило много содержащих воду метеоров», — говорит Кляйне. И это произошло скорее на раннем этапе истории Земли.
Безводные метеориты сформировали Землю
Исследователей в своей теории поддержало другое исследование Николаса Дауфаса из Чикагского университета. Американский исследователь также обратился к идее рутения и применил ее одновременно на нескольких элементах. Все они появляются как на Земле, так и в метеоритах. В отличие от немецких ученых, он не проверил свои предположения на настоящих космических элементах, а развил на основе имеющихся исследований математическую модель о происхождении земного материала. В соответствии с ней, Земля возникла в ходе двух фаз. На первом этапе строительный материал образовывали некоторые богатые водой метеориты из внешней Солнечной системы — около одной десятой тогдашней массы Земли — и не содержащие воду энстатитовые хондриты. На втором этапе больше не было богатых водой метеоритов, к Земле направлялись исключительно энстатитовые хондриты.
Нет данных о кометах
Проблема заключается в том, что все ученые исследовали только метеориты, то есть небесные тела, которые упали на Землю. «Мы предполагаем, что соотношение изотопов рутения тем меньше соответствует соотношению с Землей, чем дальше от Солнца возникают кометы», — говорит Кляйне. «Тем самым мы исключаем внешние небесные тела как носители воды на последней стадии возникновения Земли». Если вопреки ожиданиям за пределами Солнечной системы существуют кометы, которые обладают такими же изотопами рутения, как и у Земли, эта модель больше не будет функционировать.
Чего не хватает, чтобы разгадать загадку об источнике земной воды, так это надежные данные о подобных небесных телах. Они могут быть предоставлены с экспедиций к кометам. Поскольку миссия Rosetta Европейского космического агентства еще не предоставила достаточное количество данных, исследователи делают ставку на будущие проекты. Однако официально решение о подобной миссии пока не принято.
Существует несколько принципиально отличающихся друг от друга предположений, которые разделили ученые умы на два лагеря, одни являются сторонниками метеоритного или «холодного» происхождения земли, другие же напротив доказывают «горячее» происхождение планеты. Первые полагают, что Земля первоначально была большим твердым холодным метеоритом, вторые же утверждают, что планета была горячей и крайне сухой. Неоспоримым является лишь тот факт, что такой жизненно важный элемент, как вода, появился на Земле на этапе формирования голубой планеты, то есть задолго до .
Гипотеза «холодного» происхождения планеты
Согласно гипотезе «холодного» происхождения земной шар в начале существования был холодным. В дальнейшем благодаря распаду недра планеты начали разогреваться, что и стало причиной вулканической деятельности. Извергаемая лава выносила на поверхность различные газы и пары воды. В дальнейшем при постепенном охлаждении атмосферы произошла конденсация части водяных паров, что привело к огромному количеству осадков. Непрерывные дожди на протяжении тысячелетий на начальном этапе формирования планеты стали источником воды, заполнившей океанические впадины и образовавшей Мировой океан.
Гипотеза «горячего» происхождения планеты
Большинство ученых, выдвигающих гипотезу «горячего» происхождения Земли, никак не связывают появление воды на планете с . Ученые предположили, что в структуре планеты Земля изначально присутствовали водородные пласты, которые в дальнейшем вступили в химическую реакцию с кислородом, находившимся в земельной мантии на начальном этапе формирования. Результатом данного взаимодействия явилось появление огромного количества воды на планете.
Тем не менее, часть ученых не исключают участие астероидов и комет в создании водного пространства на огромной территории земли. Они предполагают, что именно благодаря непрерывным атакам со стороны больших комет и астероидов, которые несли в себе резервы воды в виде жидкости, льда и пара, появились огромные водные пространства, заполняющие большую часть планеты Земля.
Во все времена люди хотели знать, каким образом образовалась планета Земля. Несмотря на то, что существует масса гипотез, вопрос о происхождении воды на нашей планете по-прежнему остается открытым.
Астрономы Шон Раймонд (Университет Бордо, Франция) и Андре Изидоро (Университет штата Сан-Паулу Жулиу ди Мескита Филью, Бразилия) описали возможный механизм того, как вода попала на Землю. Их исследование опубликовано в журнале Icarus, доступно на сайте arXiv.org, о нем в своем блоге рассказал первый автор.
Ученые полагают, что у воды на Земле и небесных телах из пояса астероидов между орбитами Марса и Юпитера общее происхождение, связанное, в первую очередь, с формированием газовых гигантов в Солнечной системе.
Океаны покрывают три четверти Земли, однако на воду, находящуюся на поверхности, приходится всего одна четырехтысячная общей массы планеты. Вода и в мантии (в виде гидратированных пород), и в ядре Земли. Сколько ее там - неизвестно, вероятно, раз в десять больше, чем на поверхности.
В общем, воды на Земле мало, немного ее и на Луне, Меркурии, Венере и Марсе. Возможно, на Венере и Марсе раньше было больше воды. Основной резервуар воды в рамках орбиты Юпитера - пояс астероидов.
Во внутренней части главного пояса, в пределах 2-2,3 астрономической единицы от Солнца, преобладают астероиды класса S (каменистые), во внешней - класса C (углеродистые). Есть и другие астероиды, однако не столь массивные. В астероидах класса С воды больше, чем в классе S, - около десяти процентов (по массе).
Выяснить происхождение воды можно, проведя изотопный анализ водорода, содержащегося в воде различных небесных тел. Кроме протия, водорода с ядром из одного протона, в природе встречаются дейтерий (с протоном и нейтроном) и совсем редко - тритий (с протоном и двумя нейтронами).
Фото: World History Archive / Globallookpress.com
Изотопный анализ выявляет несколько особенностей. У Солнца и газовых гигантов соотношение содержания дейтерия и трития на один-два порядка меньше, чем у Земли. Зато у астероидов класса C этот показатель практически такой же, как у нашей планеты. Это указывает на общее происхождение воды.
У комет в облаке Оорта соотношение содержания дейтерия и протия примерно в два раза выше, чем у Земли. Есть три кометы в пределах орбиты Юпитера, у которых этот параметр близок к земному, однако там же имеется одна комета, где данный показатель в 3,5 раза больше. Все это может означать, что у воды на кометах разное происхождение и только часть ее образовалась так же, как на Земле.
Планеты формируются вокруг молодых звезд в гигантских газопылевых дисках. Ближе к светилу слишком жарко, поэтому там возникают планеты, богатые кремнием и железом. Дальше от звезды холоднее, там небесные тела могут формироваться и из водяного льда. Земля возникла в той части протопланетного диска, где рождались каменистые небесные тела, без воды. Значит, она попала на планету извне.
С другой стороны, астероиды классов S и C слишком отличаются, чтобы они могли образоваться рядом друг с другом. Кроме того, граница, за которой формировались ледяные небесные тела, в ходе эволюции Солнечной системы постоянно перемещалась, решающую роль в этом сыграл Юпитер.
Юпитер и Сатурн, как полагают ученые, сформировались в два этапа. Сначала они представляли собой твердые небесные тела, в несколько раз тяжелее современной Земли, а затем начали захватывать газ с протопланетного диска. На этом этапе масса и размеры планет резко увеличиваются, гиганты расчищают себе пространство в протопланетном диске.
Крупные Юпитер и Сатурн были окружены тогда небольшими планетезималями - предшественниками протопланет. Когда Юпитер и Сатурн росли, орбиты планетезималей вытягивались, пересекая внутреннюю часть Солнечной системы и удаляясь от светила. Но Юпитер и Сатурн все еще притягивали газ из протопланетного диска, в результате чего, как показало проведенное моделирование, орбиты планетезималей скорректировались Юпитером и переместились в область современного пояса астероидов.
Сатурн возник позже Юпитера, и его формирование привело к новой миграции планетезималей, хотя и не столь значительной. Главный вывод исследователей - астероиды класса C появились в поясе из пределов орбит газовых гигантов после того, как Юпитер и Сатурн завершили свое формирование (хотя некоторые планетезимали могли достичь орбиты Нептуна).
По мнению ученых, вода попала на нашу планету в период формирования пояса астероидов благодаря планетезималям определенного типа (а именно - астероидам класса C) с сильно эксцентричными (вытянутыми) и нестабильными орбитами, пересекающие траекторию Земли. Изотопный анализ водорода - главное тому подтверждение.
Доставка воды на Землю практически завершилась с формированием Юпитера и Сатурна и исчезновением протопланетного диска. Таким образом, популярная гипотеза, объясняющая небольшие размеры Марса миграцией Юпитера вглубь Солнечной системы, коррелирует с механизмом обогащения водой Земли. Появление во внутренней Солнечной системе (как на каменистых планетах, так и в поясе астероидов) воды, важнейшего источника жизни на Земле, - это, оказывается, просто побочный эффект роста Юпитера и Сатурна.
