СКОЛЬКО ЛЕТ ВОДЕ НА ЗЕМЛЕ?

Происхождение воды на Земле было вечной загадкой. Существуют различные гипотезы и теории, объясняющие, как вода попала сюда, и множество доказательств, подтверждающих их. Но вода вездесуща во Вселенной, ее часто можно встретить в протопланетных дисках, и происхождение воды может быть не таким уж загадочным.

Исследовательская статья в GeoScienceWorld Elements доказывает, что в других молодых солнечных системах имеется много воды. В таких солнечных системах, как наша, вода готова к путешествию по мере роста молодой звезды и формирования планет. Доказательством является содержание тяжелой воды на Земле, и это показывает, что воде на нашей планете 4,5 миллиарда лет.

Статья называется We Drink Good 4.5-Billion-Year-Old Water или в переводе «Мы пьем воду возрастом 4,5 миллиарда лет», а авторами являются Сесилия Чеккарелли и Фужун Ду. Чеккарелли – женщина астроном из Института планетарных наук и астрофизики в Гренобле, Франция. Ду – астроном в обсерватории Пурпурной горы в Нанкине, Китай.

Формирование солнечной системы начинается с гигантского молекулярного облака. Облако в основном состоит из водорода, основного компонента воды. Далее следуют гелий, кислород и углерод, в порядке их количества. Облако также содержит крошечные частицы силикатной пыли и углеродистой пыли. Исследовательская статья рассказывает нам об истории воды в нашей Солнечной системе, и здесь начинается самое интересное.

Здесь, в холодных пределах молекулярного облака, когда кислород сталкивается с пылью, он замерзает и прилипает к поверхности. Но вода не является водой, пока водород и кислород не соединятся, а более легкие молекулы водорода в облаке перемещаются по замерзшим пылинкам, пока не столкнутся с кислородом. Когда это происходит, они вступают в реакцию и образуют водяной лед – два типа воды: обычная вода и тяжелая вода, содержащая дейтерий.

Дейтерий – это изотоп водорода, называемый тяжелым водородом (HDO). В его ядре есть протон и один нейтрон. Это отличает его от «обычного» водорода, называемого протием. В протии есть протон, но нет нейтрона. Оба этих изотопа водорода стабильны и сохраняются по сей день, и оба могут соединяться с кислородом, образуя воду. Когда водяной лед образует мантию на пылинках это называется холодная фаза, и это первый шаг в процессе, который авторы статьи описывают.

Гравитация начинает проявляться в облаке, когда вещество сгущается в центре. Больше массы попадает в центр молекулярного облака и начинает формировать протозвезду. Часть гравитации преобразуется в тепло, и в пределах нескольких астрономических единиц (AU) от центра облака газ и пыль на диске достигают 100 Кельвинов (-280 по Фаренгейту).

 Температура в 100 К – это очень холодно по земным меркам, всего -173 градуса по Цельсию. Но с химической точки зрения этого достаточно, чтобы вызвать сублимацию, и лед меняет фазу на водяной пар. Сублимация происходит в горячей области корино, теплой оболочке, окружающей центр облака. Хотя они также содержат сложные органические молекулы, вода становится самой распространенной молекулой в корино.

На данный момент воды во Вселенной в изобилии, хотя она вся состоит из пара, а типичный горячий корино содержит примерно в 10 000 раз больше воды, чем во всех океанах Земли. Это второй шаг в процессе, описанном авторами, и они называют его фазой протозвезды.

Затем звезда начинает вращаться, а окружающие газ и пыль образуют сплющенный вращающийся диск, называемый протопланетным диском. Все, что в конечном итоге станет планетами Солнечной системы и другими объектами, находится внутри этого диска. Молодая протозвезда все еще набирает массу, и ее термоядерная жизнь на главной последовательности все еще в будущем.

Молодая звезда выделяет некоторое тепло от ударов на своей поверхности, но не сильно. Таким образом, диск холодный, а области, наиболее удаленные от молодой протозвезды, самые холодные. По мнению авторов, решающее значение имеет то, что произойдет дальше.

Водяной лед, образовавшийся на первом этапе, на втором этапе превращается в газ, но снова конденсируется в самых холодных областях протопланетного диска. То же огромное количество пылинок снова покрыто ледяной мантией.
Это третий шаг в процессе. И теперь молекулы воды в этой ледяной мантии содержат историю воды в Солнечной системе. Таким образом, все пылинки являются теми самыми хранилищами молекул воды.

На четвертом шаге Солнечная система начинает приобретать форму и напоминать более полностью сформированную систему. Все, к чему мы привыкли, такие как планеты, астероиды и кометы, начинают формироваться и занимать свои орбиты. И из чего они происходят? Эти крошечные пылинки и их дважды замороженные молекулы воды.

 Астрономы не могут путешествовать во времени, но с каждым годом все больше внимания фокусируется на наблюдениях за другими молодыми солнечными системами и ученые находят все новые ключи ко всему процессу. Вода Земли также содержит важный намек – это соотношение тяжелой воды к обычной воде.

Некоторые детали упущены из простого объяснения, данного до сих пор. Когда на первом этапе образуется водяной лед, температура становится чрезвычайно низкой. Это вызывает необычное явление, называемое супер-дейтерий. Супер-дейтерирование вводит в водяной лед больше дейтерия, чем при других температурах.

Дейтерий образовался всего за несколько секунд после Большого взрыва. Его образовалось немного: всего один дейтерий на каждые 100 000 атомов протия. Это означает, что если бы дейтерий был равномерно смешан с водой Солнечной системы, однако это не так. На данный момент важно то, что есть два эпизода синтеза воды. Первое происходит, когда солнечная система еще не сформировалась и представляет собой всего лишь холодное облако. Во-вторых, когда образуются планеты.

Эти два явления происходят в разных условиях, и эти условия оставляют свой изотопный отпечаток на воде. Возраст воды, полученной в результате первого синтеза, составляет 4,5 миллиарда лет, и возникает вопрос: сколько этой древней воды достигло Земли?

Чтобы выяснить это, авторы наблюдали только две вещи, которые они могли: общее количество воды и количество дейтерированной воды, а именно, соотношение тяжелой и обычной воды, HDO/H2O.

Запомним, что количество воды в горячем корино было в 10 000 раз больше, чем воды на Земле, а ее соотношение HDO/H2O отличается от воды, образовавшейся в первоначальном облаке. Сколько воды из корино достигло Земли? Подсказку можно найти, сравнив значения HDO/H2O в земной воде со значениями горячих корино.

Горячие корино – единственное место, где ученые наблюдали HDO в любых все еще формирующихся планетных системах солнечного типа. В предыдущих исследованиях ученые сравнивали эти соотношения с соотношениями в объектах нашей Солнечной системы – кометах, метеоритах и ледяном спутнике Сатурна Энцеладе.

Итак, они знают, что количество тяжелой воды на Земле, соотношение HDO/H2O, примерно в десять раз больше, чем во Вселенной и в начале Солнечной системы. Количество воды, превышающее норму, на Земле примерно в десять раз превышает элементарное соотношение D/H во Вселенной и, следовательно, при рождении Солнечной системы, в так называемой солнечной туманности.

 Результаты всей этой работы показывают, что от 1 до 50 процентов воды на Земле поступило с начальной фазы рождения Солнечной системы. Это широкий диапазон, но это все еще значительная часть знаний. Авторы подводят итог в своем заключении.

Вода в кометах и астероидах (из которых происходит подавляющее большинство метеоритов) также была унаследована с самого начала в больших количествах. Земля, вероятно, унаследовала свою первоначальную воду преимущественно от планетезималей, которые, как предполагается, являются предшественниками астероидов и планет, образовавших Землю, а не от комет, которые обрушились на нее дождем.

Вода могла попасть на землю из комет – это еще одна гипотеза о происхождении земной воды. Согласно этой гипотезе, замерзшая вода достигала Земли из комет из облака Оорта во внутреннюю часть Солнечной системы. Идея имеет смысл. Но это исследование показывает, что это может быть неправдой.

Тем не менее, это все еще оставляет вопросы без ответа. Это не объясняет, как вся вода достигла Земли. Но исследование показывает, что количество тяжелой воды на Земле – это, по крайней мере, начало выяснения этого процесса.

«В заключение, количество тяжелой воды на Земле – это наша нить Ариадны, которая может помочь нам выйти из лабиринта всех возможных маршрутов, по которым могла пройти Солнечная система», – объясняют авторы.

Возраст земной воды составляет 4,5 миллиарда лет, как и следует из названия статьи. По крайней мере, часть из них. По мнению авторов, планетезимали, вероятно, доставили его на Землю, но как именно это происходит, неясно. Существует гораздо больше сложностей, с которыми ученым необходимо разобраться, прежде чем они смогут это понять. Проблема довольно сложная, потому что происхождение и эволюция воды на Земле неизбежно связаны с другими важными участниками на этой планете, например, углеродом, молекулярным кислородом и магнитным полем.

Все это связано с тем, как возникла жизнь и как сформировались миры. Вероятно, вода сыграла определенную роль в формировании планетезималей, которые доставили ее на Землю. Вероятно, вода сыграла определенную роль в поглощении других химических веществ, в том числе строительных блоков жизни, на скалистых телах, которые доставили их на Землю.

Вода находится в центре всего этого, и, показав, что часть ее восходит к самому началу Солнечной системы, авторы обеспечили отправную точку для выяснения остального. Значительная часть земной воды, вероятно, образовалась в самом начале рождения Солнечной системы, когда она была холодным облаком газа и пыли, замороженным и сохраненным на различных этапах, которые привели к образованию планет, астероидов и комет, и в конечном итоге была передана на зарождающуюся Землю.