Рубидий опрокинул гипотезу кометно-астероидного происхождения земной и лунной воды

Вопрос о происхождении воды на Земле и Луне долго и серьезно беспокоил ученых. Дело в том, что поверхность обоих этих небесных тел в первые десятки (а то и сотни) миллионов лет их существования могла быть сильно нагретой, причем до уровня, при котором вода должна была испариться.

В случае Земли после этого вода должна была попасть в верхние слои атмосферы, где ультрафиолет расщепил бы ее на водород и кислород. Первый, как очень легкий газ, покинул бы планету, оставив ее безводной. Что касается Луны с ее шестикратно более слабой гравитацией, водяной пар сам мог покинуть земной спутник, даже до расщепления на водород и кислород.

Тем не менее поверхность Земли явно богата водой, да и на Луне ее хотя и меньше, но вовсе не так мало, как думали в XX веке. Только обнаруженных запасов приполярных льдов — сто миллиардов тонн. Вдобавок вода содержится в лунных базальтах, то есть и во внутренних породах спутника. Возникает естественный вопрос: откуда она взялась? Часто на него отвечали так: сперва Земля и Луна действительно были безводны, но затем богатые водой астероиды и кометы принесли ее на эти небесные тела, сделав возможной земную жизнь.

Чтобы проверить подобные идеи, американские и немецкие исследователи решили проследить, как изменялось количество других сравнительно летучих элементов на Земле и Луне на протяжении их истории. Для этого, в своей работе в PNAS, они обратились к рубидию — щелочному металлу с температурой кипения 688 °C. Это средний по летучести элемент, но со временем (полураспад — 49,23 миллиарда лет) ядро его атома испытывает распад, в результате которого образуется стронций-87 — практически вовсе нелетучий элемент.

Вдобавок количество рубидия в той или иной породе прямо коррелирует с общим показателем летучих элементов в ней. Сравнивая количество стронция-87 в различных древних породах, можно установить, насколько много в них было рубидия — и сколько они его потеряли за свою историю. Для анализа отбирали наиболее древние образцы пород Земли и Луны, в том числе те, что старше четырех миллиардов лет.

В результате оказалось, что количество рубидия-87 в породах и Луны, и Земли было относительно малым с самого начала — то есть эти тела с момента формирования были сравнительно бедны летучими элементами и соединениями всех типов, включая воду. Особенно важно: рубидий-стронциевое соотношение показывает, что на протяжении всей истории и Земля, и ее спутник не получали больших количеств летучих элементов, в том числе воду.

В теории можно было предположить, что вода пришла с какими-то падающими небесными телами, где был лед, но не было рубидия. Однако имеющиеся образцы метеоритно-астероидных материалов и данные по составу комет не показывают среди них тел, богатых водой, но бедных рубидием.

Иными словами, ни Земля, ни Луна не могли получить больших количеств своей воды ни с кометами, ни с астероидами: почти вся вода в системе Земля — Луна была там с самого их формирования.

Авторы работы исходят из существования Тейи — некоей планеты, чей удар по Земле сформировал Луну. Эту гипотезу давно и обоснованно критикуют ряд российских и израильских исследователей, но в США, где и возникла гипотеза Тейи, она все еще популярна. В новой статье приходят к выводу, что и Тейя по составу должна была быть близка к Земле и Луне в плане бедности летучими элементами.

Следует отметить, что эта работа органично дополняет недавнее исследование китайских и российских ученых, которым удалось показать, что вода на поверхности нашей планеты появилась из ныне «вымершего» соединения, удерживавшего воду в ядре древней Земли, но затем постепенно распавшегося, после чего содержавшаяся в нем вода поднялась с вулканическими газами вверх и внесла основной вклад в гидросферу. Подобный подход органично объясняет происхождение земной воды без массированной кометно-астероидной доставки внеземного водного льда, невозможность которой теперь показали исследователи из США и Германии.

Также гипотеза создает новые сложности для гипотезы Тейи. Дело в том, что если лунная вода, как показали авторы, в основном была в составе спутника с его формирования, то образоваться в результате мегастолкновения Земли и Тейи земному спутнику было бы крайне затруднительно.

Подобное столкновение имело бы колоссальную энергию, неизбежно раскаляющую весь материал, выбитый Тейей из Земли (и Землей из Тейи). Однако раскаленные «капли» пород, из которых потом сформировалась Луна, неизбежно потеряли бы ту воду, которая в них была. Тем не менее вода в лунных породах есть. Объяснить это в сценарии мегаимпакта с Тейей практически невозможно. О том, как на самом деле возникла Луна и почему этот процесс обошелся без Тейи и «обезвоживания» пород Селены, Naked Science писал здесь.