Вопрос о том, как Земля получила воду, — один из важнейших в истории нашей планеты. Ученые обсуждают как доставку воды космическими телами, так и ее образование при химических реакциях во время роста планеты.
Есть гипотеза и о том, что необходимые компоненты могли соединяться уже на формирующейся Земле. В 2023 году ученые с помощью компьютерной модели показали, что вода могла возникать при взаимодействии богатой водородом атмосферы с океаном расплавленных пород на поверхности планетных зародышей.
В той модели кислород поступал из расплава, а водород — из газовой оболочки, поэтому исходный каменный материал мог быть сухим. Расчеты также связывали эти реакции с химическим составом планеты и проникновением водорода в ее металлическое ядро, но сами по себе не были экспериментальной проверкой механизма.
Ученые из Университета Нью-Мексико (США) предположили, что вода появилась при накоплении небольших каменных частиц. Для этого воссоздали условия ранней Земли в лаборатории. Результаты опубликовали в журнале Nature Geoscience.
Специалисты воссоздали галечную аккрецию, то есть постепенный захват мелких твердых частиц из окружающего молодую звезду газопылевого диска. В отличие от роста за счет столкновений крупных тел, такой процесс позволяет быстро накапливать массу, пока в диске еще сохраняется газ.
Ученые рассмотрели ситуацию, в которой растущую планету окружает плотная водородная атмосфера, а ее нижние слои достаточно горячие для плавления каменного вещества. Частицы размером от миллиметров до сантиметров оседают сквозь эту оболочку, нагреваются и начинают реагировать с газом еще до того, как достигнут поверхности. Источником кислорода служит оксид железа, входящий в состав каменного материала. При взаимодействии с водородом из него образуются металлическое железо и вода.
В одной из серий опытов образцы массой около 100 миллиграммов выдерживали при 1200 или 1300 градусах Цельсия в течение одного либо трех часов. За несколько часов значительная часть оксида железа восстановилась до металла с образованием водяного пара. Одновременно из расплава полностью исчезли натрий и сера, поэтому прохождение частиц через такую атмосферу могло обеспечивать планету водой и менять состав материала, из которого она складывалась.
Образовавшийся металл активно забирал фосфор из окружающего расплава. По мнению ученых, если подобный металл затем опускался в ядро Земли, это могло объяснить низкое содержание фосфора в ее мантии относительно марсианской, что отмечали в научных работах ранее.