Нове дослідження пояснює своєрідний хімічний склад Землі

Дослідження пропонує пояснення, чому наша планета має поточний розподіл летких елементів, що відрізняється від їх кількості в матеріалах, з яких вона утворилася.

Про це розповідають в Токійському технологічному інституті.

Середовище поверхні Землі містить великі резервуари водню (H, переважно у формі води, H2O), азоту (в атмосферному N2) і вуглецю (переважно в карбонатних породах). H, N і C іноді називають «леткими» елементами або просто «летучими», оскільки багато з простих сполук, які вони утворюють, є газами при стандартній температурі та тиску. Однак розподіл цих летких речовин на Землі є перекошеним щодо їхньої кількості в матеріалах, з яких, як вважають, утворилася Земля. Ці леткі елементи є основними компонентами атмосфери та океанів і ключовими елементами для життя; таким чином, розуміння походження нестабільного складу Землі має вирішальне значення для розуміння того, як Земля створила придатне для життя середовище.

Нове дослідження під керівництвом Харуки Сакураби з Токійського технологічного інституту та Хіроюкі Курокави з Інституту науки про земне життя (ELSI) Токійського технологічного інституту показує, як драматичні події під час самого процесу формування Землі можуть пояснити ці спостереження.

Хондритні метеорити є одними з перших твердих матеріалів, які утворилися в ранній Сонячній системі. Зазвичай вважають, що вони доставили леткі елементи на Землю, ґрунтуючись на аналізі ізотопів, які вони містять. Однак вміст C, N і H в тому, що вчені називають "об’ємною силікатною Землею" або BSE (до якої входить атмосфера, океани, кора та мантія) значно відрізняється від їхньої кількості в хондритах; на додаток до того, що їх в BSE просто відносно менше цих конкретних елементів, існує також помітна нестача азоту. Через ці розбіжності походження основних летючих елементів Землі залишається загадковим, і попередні дослідження припускали, що їх могли доставляти нехондритні, диференційовані метеорити або астероїди.

Нове дослідження показало, що схема виснаження C, N і H у BSE дійсно може бути пов’язана з постійним падінням хондритних тіл, якщо на їх леткі речовини впливав сам процес утворення Землі. По-перше, дослідження припускає, що оскільки планета була по суті розплавленим кам’яним шаром на своїх ранніх стадіях, значні кількості C могли бути вилучені в ядро Землі. Пізніше, у міру того, як планета холонула та твердішала, та утворилися океани, C і H відкладалися б у вигляді води та карбонатних порід. Водночас N в основному залишався в атмосфері, звідки у результаті вибухових ударів метеоритів частина його була викинута в космос.

Дослідники змоделювали еволюцію вмісту летких речовин в атмосфері, океанах, корі, мантії та ядрі з самих ранніх етапів формування Землі, враховуючи всі ці фактори, а також обмеження, пов′язані з формуванням Землі, такі як її рання мінералогія та розподіл розмірів прибулих астероїдів і метеоритів. Потім вони порівняли остаточний запас летких елементів за різних умов із поточною Землею.

a: Земля на стадії основної акреції, коли вона була покрита океаном магми. b: Земля на стадії пізньої акреції, коли вже існували океани. Credit: Sakuraba et al. (2021) Scientific Reports

Член команди Курокава каже: «Походження життєпридатного середовища на Землі, та те, як зародилося життя — безсумнівно є бентежними питаннями. Той факт, що Земля придатна для життя, пояснюється не лише тим, що на її поверхні є рідка вода, хоча це важливо, але й тому, що C і N в її атмосфері допомагають підтримувати поверхню Землі достатньо теплою, щоб підтримувати рідку воду. Велика кількість цих основних летких елементів має значення; якби ми збільшили або зменшили їх кількість навіть у кілька разів, Земля могла б бути повністю сухою планетою або повністю вкрита океаном, або її клімат міг би бути надзвичайно жарким чи холодним».

Курокава далі пояснює, що вчені вже кілька років цікавляться регіоном навколо зірок, який вони називають «жилою зоною» або HZ (або зоною "Золотоволоски"), тобто відстанню, на якій планета отримує достатньо енергії від сонячного світла для підтримування поверхні планети достатньо холодною, щоб утримувати воду, але достатньо теплою, щоб ця вода була рідкою. Проте, чи існує планета в HZ, також залежить від її маси та хімічного складу, оскільки маленькі планети з малою масою легше втрачають леткі елементи через гравітаційну втечу, а планетарні атмосфери можуть допомогти нагрівати планети, затримуючи вихідне інфрачервоне випромінювання через так званий парниковий ефект.

Дослідження пояснює велику кількість основних летких елементів Землі та показує, що леткий склад Землі є природним результатом формування планети розміром із Землю у HZ. І навпаки, дослідники припускають, що Венера (яка сформувалася ближче до Сонця, ніж у передбачуваній HZ) і Марс (який в десять разів менший за Землю) повинні були набути різної кількості летких елементів.

Автори вважають, що ці результати можуть надалі допомогти передбачити, які позасонячні планети в HZ своїх зірок-господарів мають бути дійсно придатними для життя. Астрономи вже знайшли планети розміром із Землю, розташовані в HZ навколо інших зірок, хоча їх поверхневе середовище поки що не спостерігалося. Це дослідження передбачає, що за умови, що такі планети сформовані подібно до Землі, вони дійсно є землеподібними планетами; і можуть мати велику кількість основних летючих елементів, аналогічно Землі, та, отже, ймовірно, розвиватися так само як і Земля, і тому також є хорошими кандидатами для пошуку життя за межами Землі.

Часова еволюція кількості вуглецю, азоту та води (водню), отримана в результаті моделювання. Число в легенді кожної лінії вказує час, коли Земля досягла процентної частки від своєї поточної маси. Зелена область — це поточна кількість елементів Землі (за винятком ядра). a: Стадія основної акреції. b: Стадія пізньої акреції. Credit: Sakuraba et al. (2021) Scientific Reports

Автори відзначають певну невизначеність щодо деяких параметрів, які вони змоделювали. Кожен параметр має різний ступінь невизначеності. Наприклад, те, як розподілення елементів між силікатною магмою та металом, що утворює ядро, зазвичай має невизначеність порядку величини. Для того, щоб включити всі ці різні процеси в єдину модель простим способом та кількісно оцінити вплив їх невизначеностей, потрібно було багаторазово прогнати моделі з різними параметрами.

Курокава каже: «Нас цікавить, як на Землі та інших планетах можуть виникнути придатні для життя середовища, які можуть підтримувати життя, а, отже, питання "Чи Земля особлива чи звичайна?". Поверхневе середовище Землі контролюється не тільки її віддаленістю від Сонця та наявністю води, а також складом основних летких елементів, таких як C, N та H. Це важливе питання, зокрема, тому що кількість летючих речовин на Землі дуже сильно відрізняється від примітивних тіл в нашій Сонячної системи, від яких, як вважається, сформувалася Земля».

Попередні спроби пояснити велику кількість летких елементів Землі були зосереджені на обмеженому розгляді взаємодії процесів формування планет. Це дослідження — перше, в якому було змоделювало, як кількість основних летких елементів могла змінитися під час акреції Землі та як ми можемо відтворити спостережуваний склад.

«Одним із нових питань, які підіймає ця робота, полягає в тому, як розподіл основних летючих елементів визначався на початку історії Землі», — додає Курокава. «Наша модель передбачає, що ці летючі речовини здебільшого містилися на поверхні незабаром після утворення Землі. На відміну від цього, на сьогодні найбільшим резервуаром з них є мантія. Тектоніка плит повинна бути відповідальною за цю зміну. Однак коли та як ці леткі речовини були транспортовані до мантії — це ще невирішене питання. Це також пов’язано з появою та еволюцією життя на Землі; N іноді є обмежувальним фактором для біологічної активності, а із сучасним циклом N значною мірою домінує життя».

Майбутнє питання, яке команда прагне вирішити, полягає в тому, чи може той самий сценарій формування планет пояснити кількість летких елементів в інших планетах земної групи, включаючи Венеру, Марс та позасонячні. Майбутні місії NASA (DAVINCI+, VERITUS) та ESA (EnVision) досліджуватимуть поверхню Венери, у тому числі атмосферу. Попри те, що даних про склад летких елементів у надрах цих планет практично або взагалі немає, деяка інформація доступна з аналізу марсіанських метеоритів і сейсмологічних вимірювань місії Mars InSight. Команда вважає, що на основі цього дослідження можна розробити прогнози, що піддаються перевірці, для цих планет.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.