Железное ядро, силикатная мантия, кора, а сверху — океаны. Так устроена Земля. Долгое время эту модель переносили и на планеты других звездных систем. Но картина оказалась куда сложнее. Ученые из Швейцарии и США смоделировали распределение воды в недрах суперземель и субнептунов и выяснили, что основной ее объем находится вовсе не на поверхности.
Магматический океан, который содержит воду, но на поверхности только небольшое количество. Так художник представил себе землеподобную планету GJ 1214 b / © NASA, JPL-Caltech, R. Hurt
Астрономы открывают главным образом планеты, расположенные очень близко к своей звезде. Это так называемые лавовые миры, не остывшие до конца, чтобы сформировать твердую силикатную мантию, как у Земли. Вода прекрасно растворяется в магматических расплавах, в отличие, к примеру, от диоксида углерода, который быстро выделяется и поднимается в атмосферу. Что с ней происходит дальше?
«Для образования железного ядра нужно время. Большая доля металла изначально содержится в магматическом расплаве в форме капель. Вода присоединяется к ним и опускается в ядро. Железные капли выступают как лифт для воды», — пояснила Каролина Дорн из Института ядерной физики и астрофизики при Швейцарской высшей технической школе Цюриха.
Вместе с коллегами из Принстонского университета (США) она опубликовала статью в журнале Nature Astronomy, в которой смоделировала поведение воды в недрах планет.
Недавно исследователи показали, что большая часть воды содержится в ядре Земли: по одним данным, 37 процентов, по другим — до 73. У воды большой коэффициент разделения между железом и силикатами в условиях формирования ядра (давление — до 135 гигапаскалей, температура — 4200 кельвинов).
Суперземли и субнептуны намного массивнее, поэтому ядро развивается при гораздо больших давлении и температуре: до 1400 гигапаскалей и 14 000 кельвинов соответственно. Чтобы оценить объем воды, спрятанной в недрах, авторы вычислили коэффициент разделения, прибегнув к моделированию молекулярной динамики вместе с термодинамическим интегрированием без опоры на экспериментальные данные, исходя только из законов природы. Расчеты провели для четырех сценариев планетных недр.
Выяснилось, что в планетах в шесть или менее земных масс вода хранится в основном в мантии, а в более массивных (их открыто большинство) — в ядре. Хотя ядро по объему меньше мантии, при некоторых условиях железо может абсорбировать в 70 раз больше воды, чем силикаты. Учитывая огромное давление в ядре, вода не образует молекулы H2O, а пребывает как водород и кислород. К примеру, планета в девять земных масс при равновесной температуре 1000 кельвинов с массовой долей воды 50 процентов будет больше половины ее хранить в ядре, 41 процент — в мантии, только три процента — на поверхности.
Новая информация о распределении воды в планетах непосредственно влияет на интерпретацию астрономических данных. Наблюдения с помощью телескопов позволяют оценивать массу и размер планет. Но при расчетах обычно опускают воду. Ее количество может быть занижено в десятки раз. Как следует из нового исследования, планеты гораздо более насыщены водой, чем считалось.
Этот подход, к примеру, может объяснить необычно низкую плотность планеты 55 Рака e, радиус которой почти в два раза больше земного. Если вода с поверхности и из мантии потеряна, то ядро все еще значительно обогащено ею. Из этого следует, что планета сформировалась из богатого водой материала за снеговой линией.
Комментарии
То что на планетах имеется большое количество водорода и кислорода не означает что там есть вода в том же объеме. С такой же логикой можно сказать что там столько же перекись водорода.