Новое исследование объясняет своеобразный химический состав Земли

Исследование предлагает объяснение, почему наша планета имеет текущее распределение летучих элементов, отличающееся от их количества в материалах, из которых она образовалась.

Об этом рассказывают в Токийском технологическом институте.

Поверхностная среда Земли содержит обширные резервуары водорода (H, преимущественно в форме воды, H2O), азота (в атмосферном N2) и углерода (преимущественно в карбонатных породах). H, N и C иногда называют «летучими» элементами, потому что многие простые соединения, которые они образуют, являются газами при стандартной температуре и давлении. Однако распределение этих летучих веществ на Земле перекошено относительно их количества в материалах, из которых, как считают, образовалась Земля. Эти летучие элементы являются основными компонентами атмосферы и океанов и ключевыми элементами для жизни; таким образом, понимание происхождения нестабильного состава Земли имеет решающее значение для понимания того, как Земля создала подходящую для жизни среду.

Новое исследование под руководством Харуки Сакурабы из Токийского технологического института и Хироюки Курокавы из Института науки о земной жизни (ELSI) Токийского технологического института показывает, как драматические события во время процесса формирования Земли могут объяснить эти наблюдения.

Хондритные метеориты являются одними из первых твердых материалов, образовавшихся в ранней Солнечной системе. Обычно считают, что они доставили летучие элементы на Землю, основываясь на анализе содержащихся в них изотопов. Однако содержание C, N и H в том, что ученые называют "объемной силикатной Землей" или BSE (в которую входит атмосфера, океаны, кора и мантия) значительно отличается от их количества в хондритах; в дополнение к тому, что их у BSE просто относительно меньше этих конкретных элементов, существует также заметный недостаток азота. Из-за этих разногласий происхождение основных летучих элементов Земли остается загадочным, и предыдущие исследования предполагали, что их могли доставлять нехондритные, дифференцированные метеориты или астероиды.

Новое исследование показало, что схема истощения C, N и H в BSE действительно может быть связана с постоянным падением хондритных тел, если на их летучие вещества влиял сам процесс образования Земли. Во-первых, исследование предполагает, что поскольку планета была, по сути, расплавленным каменным слоем на своих ранних стадиях, значительные количества C могли быть извлечены в ядро Земли. Позже, по мере того, как планета охладилась и твердела, образовались океаны, C и H откладывались бы в виде воды и карбонатных пород. В то же время, N в основном оставался в атмосфере, откуда в результате взрывных ударов метеоритов часть его была выброшена в космос.

Исследователи смоделировали эволюцию содержания летучих веществ в атмосфере, океанах, коре, мантии и ядре с самых ранних этапов формирования Земли, учитывая все эти факторы, а также ограничения, связанные с формированием Земли, такие как ее ранняя минералогия и распределение размеров прибывших астероидов и метеоритов. Затем они сравнили окончательный запас летучих элементов при разных условиях с текущей Землей.

a: Земля на стадии основной аккреции, когда она была покрыта океаном магмы. b: Земля на стадии поздней аккреции, когда уже существовали океаны. Credit: Sakuraba et al. (2021) Scientific Reports

Член команды Курокава говорит: «Происхождение жизнепригодной среды на Земле, и то, как зародилась жизнь, — несомненно, являются волнующими вопросами. Тот факт, что Земля пригодна для жизни, объясняется не только тем, что на ее поверхности есть жидкая вода, хотя это важно, но и потому, что C и N в ее атмосфере помогают поддерживать поверхность Земли достаточно теплой, чтобы поддерживать жидкую воду. Большое количество этих основных летучих элементов имеет значение; если бы мы увеличили или уменьшили их количество даже в несколько раз, Земля могла быть полностью сухой планетой или полностью покрыта океаном, или ее климат мог бы быть чрезвычайно жарким или холодным».

Курокава далее объясняет, что ученые уже несколько лет интересуются регионом вокруг звезд, который они называют "зоной обитания" или HZ (или зоной "Златовласки"), то есть расстоянием, на котором планета получает достаточно энергии от солнечного света для поддержания поверхности планеты достаточно холодной, чтобы удерживать воду, но достаточно теплой, чтобы эта вода была жидкой. Однако, существует ли планета в HZ, также зависит от ее массы и химического состава, поскольку маленькие планеты с малой массой легче теряют летучие элементы из-за гравитационного побега, а планетарные атмосферы могут помочь нагревать планеты, задерживая исходное инфракрасное излучение посредством так называемого парникового эффекта.

Исследование объясняет большое количество основных летучих элементов Земли и показывает, что летучий состав Земли является естественным результатом формирования планеты размером с Землю в HZ. И наоборот, исследователи предполагают, что Венера (формировавшаяся ближе к Солнцу, чем в предполагаемой HZ) и Марс (в десять раз меньше Земли) должны были приобрести разное количество летучих элементов.

Авторы считают, что эти результаты могут в дальнейшем помочь предположить, какие внесолнечные планеты в HZ своих звезд-хозяев должны быть действительно пригодны для жизни. Астрономы уже нашли планеты размером с Землю, расположенные в HZ вокруг других звезд, хотя их поверхностная среда пока не наблюдалась. Это исследование предполагает, что при условии, что такие планеты сформированы подобно Земле, они действительно являются землеобразными планетами; и могут иметь большое количество основных летучих элементов, аналогично Земле, и, следовательно, вероятно, развиваться так же, как Земля, и поэтому также являются хорошими кандидатами для поиска жизни за пределами Земли.

Временная эволюция количества углерода, азота и воды (водорода), полученная в результате моделирования. Число в легенде каждой линии указывает время, когда Земля достигла процентной доли от текущей массы. Зеленая область – это текущее количество элементов Земли (за исключением ядра). a: Стадия основной аккреции. b: Стадия поздней аккреции. Credit: Sakuraba et al. (2021) Scientific Reports

Авторы отмечают на сучествовании некоторой неопределенности в некоторых параметрах, которые они смоделировали. Каждый параметр имеет разную степень неопределенности. Например, то, как распределение элементов между силикатной магмой и образующим ядро металлом обычно имеет неопределенность порядка величины. Для того чтобы включить все эти разные процессы в единую модель простым способом и количественно оценить влияние их неопределенностей, нужно было многократного прогнать модели с разными параметрами.

Курокава говорит: «Нас интересует, как на Земле и на других планетах могут возникнуть пригодные для жизни среды, которые могут поддерживать жизнь, а, следовательно, вопрос "Земля особенная или обычная?". Поверхностная среда Земли контролируется не только ее удаленностью от Солнца и наличием воды, а также составом основных летучих элементов, таких как C, N и H. Это важный вопрос, в частности, потому что количество летучих веществ на Земле очень сильно отличается от примитивных тел в нашей Солнечной системы, от которой, как считается, сформировалась Земля».

Предыдущие попытки объяснить большое количество летучих элементов на Земле были сосредоточены на ограниченном рассмотрении взаимодействия процессов формирования планет. Это исследование – первое, в котором было смоделировано, как количество основных летучих элементов могло измениться во время аккреции Земли и как мы можем воспроизвести наблюдаемый состав.

«Одним из новых вопросов, поднимаемых этой работой, заключается в том, как распределение основных летучих элементов определялось в начале истории Земли», — добавляет Курокава. «Наша модель предполагает, что эти летучие вещества в большинстве своем содержались на поверхности вскоре после образования Земли. В отличие от этого, на сегодняшний день самым большим резервуаром из них является мантия. Тектоника плит должна быть ответственна за это изменение. Однако когда и как эти летучие вещества были транспортированы в мантию, это еще нерешенный вопрос. Это также связано с появлением и эволюцией жизни на Земле; N иногда является ограничительным фактором для биологической активности, а с современным циклом N в значительной степени доминирует жизнь».

Будущий вопрос, который команда стремится решить, состоит в том, может ли тот же сценарий формирования планет объяснить количество летучих элементов в других планетах земной группы, включая Венеру, Марс и внесолнечные. Будущие миссии NASA (DAVINCI+, VERITUS) и ESA (EnVision) будут исследовать поверхность Венеры, включая атмосферу. Несмотря на то, что данных о составе летучих элементов в недрах этих планет практически или вообще нет, некоторая информация доступна для анализа марсианских метеоритов и сейсмологических измерений миссии Mars InSight. Команда считает, что на основе этого исследования можно разработать прогнозы, подвергающиеся проверке для этих планет.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.