Химики вычислили источник земной воды

Земля, как и другие планеты, формировалась при соударении и «слипании» небольших протопланетных тел, планетезималей. Однако их столкновения сопровождались выделением огромных количеств энергии — десятикилометровое тело при падении может дать взрыв на 100 млн мегатонн тротилового эквивалента. Поэтому сразу после образования планеты на ее поверхности было довольно жарко. Вдобавок земная орбита близка к Солнцу, что само по себе затрудняет накопления водного льда на ее поверхности.

Все это заставило многих ученых предположить, что воду на Землю занесли кометы или льдистые астероиды, сформировавшиеся куда дальше от Солнца, и поэтому накопившие немало водного льда. Однако соотношение дейтерия (тяжелый водород) и обычного, легкого водорода на Земле кратно отличается от такого же соотношения в материале астероидов и комет. Некоторые из последних (комета 103Р / Хартли) имеют относительно близкое к земному соотношение дейтерия и легкого водорода, но изотопы других элементов, например азота, у них все равно резко отличаются, то есть много подобных тел на Землю упасть не могло, и объяснить так земные океаны нельзя.

Ранее ряд исследователей пытались предложить другое объяснение: вода содержалась в неких гидратированных минералах внутри земной мантии. Со временем эти минералы могли разлагаться, выделяя воду, что действительно типично для некоторых соединений магния и кремния. Однако, как отмечают авторы новой работы в Physical Review Letters, предлагавшиеся соединения часто не могли удерживать воду при тех температурах и давлении, которые должны быть в земной мантии.

Откуда же взялась вода? Ученые предлагают взглянуть на вопрос шире и напоминают, что в первые десятки миллионов лет после образования Земли ее внутренняя структура была совсем не такой, как сейчас. В наши дни треть планеты — это железо-никелевое ядро, состоящее из компонентов много тяжелее силикатов, образующих мантию. Но вначале планета внутри была более однородной: более тяжелые металлические компоненты во многом еще не «утонули» в ядре планеты, а более легкие силикатные еще не «всплыли» в мантию и кору. Это значит, что силикаты того времени подвергались воздействию тех температур и давлений, которые сейчас есть в ядре, но которым они не подвергаются сегодня, «всплыв» в мантию.

В новой работе ученые во главе с Сяо Дуном (КНР) использовали семейство эволюционных алгоритмов USPEX, разработанных Артемом Огановым (второй автор работы), для расчета свойств различных соединений, чтобы выяснить, какие из них могли содержать воду в недрах тогдашней Земли. Оказалось, что подходящих кандидатов всего два, и оба они — модификации одного силиката: α−Mg₂SiO₅H₂ и β−Mg₂SiO₅H₂. Первый сохраняют стабильность при 262–338 гигапаскалях (примерно 2,6-3,4 миллиона земных атмосфер). Второй — при давлениях выше 338 гигапаскалей. Оба соединения — суперионные проводники, то есть ионы (в частности, протоны, ядра атомов водорода) внутри их кристаллической решетки мигрируют довольно легко. Что важно, в отличие от более ранних кандидатов в «водоносные» минералы в глубинах Земли, оба эти соединения могут сохранять стабильность при температурах в тысячи кельвин, то есть удерживали воду даже находясь в центре нашей планеты.

В комментарии для Naked Science Артем Оганов отмечает, что в первые десятки миллионов лет земной истории, когда расплавленное железо опускалось в центр планеты, вытесняя более легкие силикаты в область меньших глубин, предсказанное соединение постепенно начало разлагаться. Давление в мантии, куда они переместились, было слишком низким, чтобы оно могло существовать. Среди продуктов распада 11% по весу составила вода.

Оказавшись в мантии, она, в силу малой плотности, постепенно поднималась вверх, и с извержениями вулканов попадала в атмосферу Земли. Так постепенно поверхность нашей планеты оказалась насыщена водяным паром, который затем конденсировался, образуя водоемы.

Вопрос о происхождении земной воды чрезвычайно важен по двум причинам. Во-первых, без нее не могла бы возникнуть местная жизнь и мы сами. Во-вторых, поняв, как она возникла на Земле, можно более или менее ясно представить, какие из открываемых астрономами экзопланет в «зоне обитаемости» могут быть насыщены водой, а значит и потенциальной жизнью, а какие лишены ее.

По словам Артема Оганова, открытый «на кончике пера» механизм появления земной воды не работает для Луны или Марса. Даже в центре последнего давление не может превышать 37 гигапаскалей, что в несколько раз ниже, чем нужно для стабильности предсказанных силикатов. Очевидно, вода на Марсе сформировалась другим путем, например прибыла с кометами.

Ученый констатирует, что новое открытие имеет значение и для планет вне Солнечной системы. Суперземли, по размерам и массе заметно крупнее нашей Земли, имеют и более высокое давление в мантии. Это значит, что там открытые авторами новой работы минералы не потеряют стабильность даже после того, как железо и иные тяжелые элементы вытеснят их из ядра. Такая ситуация может в какой-то степени ограничивать количество воды на поверхности подобных планет.

В случае суперземель избыточное количество воды тоже может быть не лучшим вариантом для потенциальной жизни. Если всю поверхностную воду Земли распределить по ее поверхности равномерно, слой будет всего около трех километров. Но суперземли благодаря чуть большей силе тяжести лучше удерживают легкие соединения, и в теории способны накопить океаны глубиной 100 километров и более.

Слишком глубокий океан создаст огромное давление, при котором вода становится льдом даже если она серьезно нагрета. Такой экзотический лед, как его называют ученые, блокирует поступление минералов из мантии, что обедняет глобальный океан веществами, необходимыми для развития жизни. Если какая-то часть воды на таких суперземлях будет удержана в мантии, это может уменьшить глубину глобального океана и улучшить перспективы для местной жизни.