• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
25 января
Александр Березин
23
69 409

Химики вычислили источник земной воды

6.4

Океаны на нашей планете не могли возникнуть сразу после ее появления: здесь было слишком жарко. Однако попытки объяснить их «кометным завозом» не удались, изотопный состав нашей воды не такой, как в кометах. До самых недавних пор оставалось неясным, откуда же тогда она появилась, сделав возможной земную жизнь?

©Ron Miller/Discover

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.

Слева: Земля в первые миллионы лет, небольшое протоядро, скалистые породы с водосодержащими силикатами, над ними фрагменты с высоким содержанием металлов. Справа: Земля после окончания формирования ядра. Железосодержащее ядро «выдавило» в мантию водосодержащие силикаты, те разложились (реакция показана посередине рисунка) на воду и безводные силикаты. Водяной пар начал подниматься к поверхности, обеспечивая ее водой / ©Phys. Rev. Lett.

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.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Вчера, 13:26
Университет Лобачевского

Специальные алюминиевые сплавы, разработанные учеными научно-исследовательского физико-технического института (НИФТИ) Университета Лобачевского, позволят заменить устаревшие медные провода, имеющие большой вес, и алюминиевые провода с низкой электропроводностью, которые сегодня используют в авиации.

25 мая
Александр Березин

Скорее всего, это первое полноценное использование принципиально нового истребителя по его прямому назначению.

Вчера, 10:23
Михаил Орлов

Айсберги представляют собой плавучие массы льда, которые рождаются при отделении от ледников на берегу моря и исчезают, постепенно растаяв в более теплой морской воде. В новой статье воссоздано путешествие длительностью три с половиной года одного из самых крупных айсбергов — A-68, превосходившего по площади Москву в два с лишним раза.

25 мая
Александр Березин

Скорее всего, это первое полноценное использование принципиально нового истребителя по его прямому назначению.

23 мая
РНФ

Группа ученых из России и Германии математически описала ситуацию, когда происходит самоостановка света — явление, при котором скорость световых импульсов падает в миллионы раз, вплоть до нуля. Оказалось, что в определенных условиях излучение в резонансно поглощающей среде создает для себя «потенциальную яму», из которой затем не может выйти. Это происходит за счет обволакивания материей безмассовых фотонов, и в результате они могут остановиться.

24 мая
Александр Березин

Хотя исследователи полагают, что им был Homo sapiens, новые данные вполне совместимы и с другими видами людей.

25 мая
Александр Березин

Скорее всего, это первое полноценное использование принципиально нового истребителя по его прямому назначению.

28 апреля
Мария Азарова

Авторы нового исследования составили таблицу ожидаемой продолжительностью жизни для собак 18 чистокровных пород и метисов. Кроме того, они узнали, кто живет дольше — суки или кобели, кастрированные или нет.

6 мая
Кирилл Отавин

Приходилось ли вам готовиться к тяжелым экзаменам в школе? А в институте? Или корпеть над срочным рабочим отчетом, который нужно сдать уже «‎вчера»? Конечно же, приходилось. В такие моменты хочется немного «завести» мозги, заставить их работать на всю катушку. И сосед или знакомый говорят вам: «‎А про ноотропы приходилось слышать? А вот фенотропил принимали? Это может помочь». Naked Science решил разобраться, что это такое, как оно помогает и помогает ли вообще.

[miniorange_social_login]

Комментарии

23 Комментариев

-
0
+
без нее не могла бы возникнуть местная жизнь и мы сами - так откуда мы? Как образовались? Сказочники
    Вы серьезно требуете от новости про происхождение воды еще и ответа на вопрос о происхождении жизни? А почему так скромно? Отчего не слышны требования включить в текст еще и всю британскую энциклопедию?
-
0
+
Куда интереснее вопросы: откуда в атмосфере Земли и Венеры столько азота?! И почему его совсем нет над поверхностью Марса?.. Кстати, именно это различие делает абсолютно бессмысленным поиски жизни на Марсе...
    Азота много потому, что его исходно много на небесных тела -- при звездном нуклеосинтезе азота образуется немало. Его и на Титане полно, тем более логично видеть его на Земле и Венере. В атмосфере Марса его нет потому, что азот там связан в марсианском грунте, как и на Земле в период доминирования анаэробных организмов на ее поверхности (то есть в докислородную эру). По вашей логике, поиск жизни на Земле в архее тоже был бы бессмысленным - но на самом деле нет.
    +
      ещё комментарии
      -
      0
      +
      В атмосфере Марса его нет потому, что азот там связан в марсианском грунте, как и на Земле в период доминирования анаэробных организмов на ее поверхности (то есть в докислородную эру)
      Откуда тогда взялся атмосферный азот на Венере (в 4 раза больше, чем на Земле)? По какому биохимическому циклу анаэробные бактерии освобождали свободный азот в атмосферу в архее на Земле и что высвободило его в таком огромном количестве на Венере? На чем основывается предположение, что для аэробных организмов Земли наличие свободного азота в атмосфере является необходимым фактором?
        "Откуда тогда взялся атмосферный азот на Венере (в 4 раза больше, чем на Земле)" Оттуда же, откуда и на Земле. Из звездного нуклеосинтеза. Надо думать, анаэробная жизнь на Венере если и была, то связать много азота в грунте не успела. А на Земле успела -- и не весь он был возвращен в атмосферу после начала аэробной эры. "По какому биохимическому циклу анаэробные бактерии освобождали свободный азот в атмосферу в архее на Земле и что высвободило его в таком огромном количестве на Венере?" Ни по какому. Если внимательно читать то, что я написал выше, то заметно, что я говорил совсем про другое. Что связывали азот анаэробные бактерии. Которые были у нас в больших количествах -- а вот на Венере вряд ли. "На чем основывается предположение, что для аэробных организмов Земли наличие свободного азота в атмосфере является необходимым фактором?" Данный вопрос точно не ко мне. Я такое предположение не высказывал.
          -
          0
          +
          "Откуда тогда взялся атмосферный азот на Венере (в 4 раза больше, чем на Земле)" Оттуда же, откуда и на Земле. Из звездного нуклеосинтеза.
          Ответ на первый взгляд язвительный, но неверный, так как я не про вообще азот на Земле и Венере вопрошал, а про атмосферный азот, что есть большая разница с азбучной истиной про первоисточник всех (кроме водорода) химических элементов планет. К тому же, вы, зацепившись за упоминание Венеры, перевели стрелки на нее, тогда как меня интересует ничтожное количество свободного азота на Марсе.
          Что связывали азот анаэробные бактерии. Которые были у нас в больших количествах -- а вот на Венере вряд ли.
          Но этот путь исхода азота из воздухе применительно к Марсу опровергнут анализом проб грунта, сделанным еще в 2015 году; " Как подчеркивают ученые, найденные ими соединения азота не являются следами присутствия жизни на Марсе — доли изотопов азота в породах изученных Curiosity камней и отсутствие какой-либо органики и значительных запасов аммиака на красной планете говорит о том, что синильная кислота и оксид азота в "Джоне Кляйне" и в "Камберленде" происходят из неорганической среды". Тогда же было сделано весьма шаткое предположения, что азотные соединения в почве -- результат воздействия молний на азот в атмосфере Марса. Так что вопрос о причине крайне малой доли азота в атмосфере Марса остается открытым, так как там имеются следы весьма мощного вулканизма -- главного источника поступления азота из коры (например, Земли и Венеры). Меж тем, именно дефицит азота в атмосфере и привел Марс к такому "бедственному" нынешнему положению, так как без них парниковому углекислому газу нечего было согревать, а потому он вслед за водой вымерз и "выпал в осадок" на полюсах и затененных местах в средних между ними широтах в затененных углублениях. Кстати, судя по всему, этот процесс идет и по сей день, судя по обломившейся половинке солнечных батарей "Феникса" в 2008 году...
            "Но этот путь исхода азота из воздухе применительно к Марсу опровергнут анализом проб грунта, сделанным еще в 2015 году; " Как подчеркивают ученые, найденные ими соединения азота не являются следами присутствия жизни на Марсе — доли изотопов азота в породах изученных Curiosity камней и отсутствие какой-либо органики и значительных запасов аммиака на красной планете говорит о том, что синильная кислота и оксид азота в "Джоне Кляйне" и в "Камберленде" происходят из неорганической среды". Нет, не опровергнут. Ну вы сами почитайте то, что процитировали. Ничего не режет глаз? В школе на уроке химии вам не рассказывали, что аммиак выкипает при н.у., не то на Марсе? Ну и как он мог бы сохраниться в марсианской атмосфере, если она насыщена УФ, который его разрушает? Все верно: никак. Изотопы азота Кьюриосити изучил в марсианских породах в целом. А не нитратных примесях, -- потому что отдельно их он проанализировать не может чисто технически, для этого нужен человек и минилаборатория.. "Так что вопрос о причине крайне малой доли азота в атмосфере Марса остается открытым, " Для вас -- да. Для меня -- нет.
              -
              0
              +
              "Так что вопрос о причине крайне малой доли азота в атмосфере Марса остается открытым, " Для вас -- да. Для меня -- нет.
              Сначала отвечу на ваш вопрос: точка кипения аммиака -33,34 градуса по Цельсию. И что это доказывает или опровергает? Впрочем, после стольких споров с вами я и не сомневался, что вы в опровержение изобретете "аргументы" типа УФ, а уж в том, что не мои утверждения, но процитированные мною, будут вами отвергнуты без рассмотрения первоисточников, как необоснованные, не сомневался в особенности. Отсутствие аммиака в атмосфере Марса подтверждается его отсутствием в почве, где его не может разложить УФ, а он обязательно должен был бы попасть в почву, так как он возникает и при анаэробных процессах окисления, обеспечивавших энергией первородные бескислородные живые организмы. А потому ваш ответ, что атмосферный азот на Марсе, как и на Земле, был удален анаэробными организмами, остается голословным и чисто умозрительным. Хотя, если бы ваше предположение оправдалось, то я был бы в восторге! Так как это означало бы, что найден "убийца" жизни на Марсе, поскольку именно отсутствие в тамошнем воздухе азота в большой пропорции, сопоставимой с земной атмосферой, как раз и привело к его "осушению", а потом и к вымерзанию его атмосферы до нынешнего состояния. Тогда получилось бы, что жизнь на Марсе самоубилась... Увы, отсутствие заметного количества кислорода в атмосфере Марса также говорит о том, что там не было тех, кто производил бы его себе на погибель... Однако, слабую надежду оставляет предположение, что кислород просто весь ушел на "ржавчину" при отсутствии следующей стадии развития жизни, которая постоянно возобновляла бы из воды его запасы в атмосфере... В общем, как говорит Алиса Постик: "В жизни не так уж все просто..."
                "Сначала отвечу на ваш вопрос:" У меня не было вопроса, на который можно было бы ответить таким образом. Мой вопрос был совсем иной -- и вы на него не ответили. "И что это доказывает или опровергает?" Это (кстати, вы зря забыли про давление -- оно при выкипании аммиака играет огромную роль) оказывает, что аммиак в условиях Марса сохраниться не может. "Отсутствие аммиака в атмосфере Марса подтверждается его отсутствием в почве, где его не может разложить УФ" В почве Марса не может быть аммиака, потому что он там давным-давно выкипел бы, если бы и был. Еще раз: в марсианских условиях аммиак не может быть иначе, чем газообразным. Это перечеркивает любые идеи о его нахождении в марсианском грунте заметное время.
25.01.2022
-
1
+
А почему нельзя предположить что вода была изначально на исходных планетезималях потому что на том расстоянии от солнца на котором находится Земля вода в силу её плотности накапливалась из протопланетного диска (принцип сепаратора). Далее, в статье написано что первоначально Земля была слишком горячей и де в силу этого воды на ней быть не могло. Но почему(?), как мне кажется как раз могла, но в виде пара из которого в основном и состояла первоначальная земная атмосфера, затем, по мере остывания планеты, вода просто конденсировалась и образовала океаны. Но и сейчас некоторая часть воды находится в атмосфере в виде облаков...
    Нельзя потому, что а) Земля лежит сильно внутри снеговой линии Солнечной системы, отчего вода на таких орбитах не накапливается: https://en.wikipedia.org/wiki/Frost_line_(astrophysics) б) как и написано в новости выше: "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." "Но почему(?), как мне кажется как раз могла, но в виде пара из которого в основном и состояла первоначальная земная атмосфер" Не могла потому, что водяной пар без наличия сухой стратосферы очень быстро теряется в космос. Поскольку в стратосфере высокий УФ, который расщепляет воду на кислород и водород, а последний очень быстро уходит в космос -- очень уж легкий. См. Венера. Сегодняшняя вода не покидает планету потому, что у нас страстофера сухая (ибо холодная). Однако в период формирования Земли стратосфера не могла быть достаточно холодной, потому что вся система постоянно подогревалась столкновениями, а тепло теряла плохо -- слишком много парниковых газов в атмосфере, не то что сейчас..
    +
      ещё комментарии
      27.01.2022
      -
      0
      +
      Как-то неубедительно про то что де вода должна была вообще испариться с поверхности планеты и диссоциировать на водород и кислород, потому что ну допустим нечто подобное имело место, но водород и кислород опять таки бы вступили в химическое взаимодействие с образованием воды, умеренно высокая температура только бы способствовали этом процессу, ведь кислород очень сильный окислитель, и улететь далеко от протопланеты они не могли, а образовали бы вокруг неё своеобразные кольца (вроде тех что у Сатурна) и затем, по мере роста массы протопланеты, под действием гравитации были притянуты к ней и оказались на поверхности. Линия мороза же в планетарных системах проходит там где простые летучие вещества, как-то: вода, аммиак, метан, углекислый газ и т.п. могли сконденсироваться и замерзнуть с образованием твёрдой фазы, но это не означает что в других частях этих систем таких веществ нет, просто они там находятся в жидкой или парообразной фазе. Так что какого-то чёткого опровержения я не получил и по прежнему склонен думать что вода была на Протоземле с первых дней её зарождения. В этом отношении интересен Марс, возможно там полно воды в виде льда присыпанного пылью и его исследование может пролить свет на некоторые аспекты планетологии...
25.01.2022
-
0
+
Одно непонятно, откуда взялась невероятная гипотеза, что внутри земли железное ядро
    Такова наиболее распространенная на сегодня теория в геологии. По гравиметрическим (полученным с помощью спутников и проч.) данным плотность ядра 5,515 тонн на кубометр, реальных кандидатов на такую плотность немного -- железо-никелевая смесь с примесью кремния.
    +
      ещё комментарии
      25.01.2022
      -
      0
      +
      В том то и дело, что можно подобрать таким образом любую смесь) почему, например, не золотое ядро? С примесью того же кремния?
        Плотность золота примерно в 3,5 раза выше того, что в ядре, так что золотым (а равно и свинцовым, урановым, и т.п.) оно быть не может. К выводу о его составе пришли на основе анализа астероидов и иных "болванок"-планетезималей, оставшихся от ранней Солнечной системы. Среди них доминирует (если говорить о тяжелых элементах) именно железно и никель, потому что элементы тяжелее железа в нормальном звездном нуклеосинтезе не образуются, а образуются только при взрывах сверхновых и подобных экзотических событиях, отчего их в Солнечной системе очень мало.
          25.01.2022
          -
          0
          +
          Да, я знаком с историей возникновения необоснованной ничем кроме астероидов идеей возникновения железного ядра. Однако железа в той области, в которой сформировалась планета, явно недостаточно, не говоря уже о никеле. Впрочем рассуждения бесполезны. Гипотезы сильны предсказательностью, достаточно подождать. Хотя, иногда долго подождать, как в случае заселения америк)
            "Однако железа в той области, в которой сформировалась планета, явно недостаточно, не говоря уже о никеле" Вы не могли бы как-то пояснить свою мысль? Что заставляет вас думать, что планетезимали во внутренней части Солнечной системы имели меньше железа и никеля, чем во внешней? И что, на ваш взгляд, может содержаться в ядре, если не железо?
    -
    0
    +
    Или что земля - круглая
    +
      ещё комментарии

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: