Катаклизм, положивший начало
4,5 миллиарда лет назад Земля пережила катастрофическое столкновение с другой планетой размером с Марс. В результате этого события обе планеты расплавились, а от них отделился огромный кусок лавы, который впоследствии остыл и превратился в Луну. Это событие положило начало Гадейскому эону — периоду, названному в честь греческого бога подземного мира Аида, что вполне соответствовало адским условиям на нашей планете.
Первые признаки жизни
В то время температура на Земле достигала 2000 градусов Цельсия, а атмосфера содержала даже парящую газообразную породу. Однако по мере охлаждения планеты на её поверхности начала формироваться жидкая вода.
Парадокс земного океана
71% поверхности Земли покрыто водой, и мы располагаем примерно 366 триллионами галлонов этой жидкости. При этом наличие такого количества воды на нашей планете — настоящий парадокс, ведь мы находимся слишком близко к Солнцу. Меркурий, Венера и Марс практически лишены воды, так откуда же она взялась у нас?
Происхождение воды
Источники воды на Земле включают метеориты, космическую пыль и даже само Солнце. Вода не такая уж редкость в нашей солнечной системе, просто она сконцентрирована дальше от Солнца. Например, спутник Юпитера Европа, будучи в четверть размера Земли, содержит вдвое больше воды.
Формирование солнечной системы
Солнечная система образовалась из туманности — пылевых остатков взорвавшейся звезды. Когда эта звёздная пыль начала сталкиваться и сжиматься, образовалось наше Солнце. Под действием его гравитации остальная пыль закружилась в плоском диске, известном как протопланетный диск.
Распределение элементов
Раннее Солнце было очень горячим, и его излучение отбрасывало лёгкие газы подальше, оставляя более тяжёлые элементы, такие как железо и кремнезём. Именно поэтому Земля стала каменистой планетой. Хотя у нас были компоненты для образования воды (кислород и водород), последний оказался слишком лёгким и был отнесён к внешним планетам.
Доставка воды на Землю
Водосодержащие объекты из внешней части солнечной системы периодически попадали во внутреннюю область в виде космических камешков — астероидов и метеоритов. Особую роль сыграли хондриты — особый тип метеоритов, богатых водой. Хотя воду в них нельзя просто так выпить, она входит в состав минералов, таких как серпентин, хлорит и смектит.
Современное распределение воды
Подавляющее большинство воды на Земле находится не в океанах, а в горных породах. По оценкам, земные породы содержат примерно в 18 раз больше воды, чем все океаны вместе взятые.
Как получить воду из минералов?
Самый простой способ — расплавить их. Однако это не всегда возможно при простом столкновении водоносных минералов с Землёй. Мы знаем о существовании твёрдых каменных метеоритов, которые падали на нашу планету и не расплавились. Но это произошло потому, что они упали сегодня. Если бы они упали в период Гадейского эона, история была бы совсем другой.
В начале Гадейского периода любое тело, падающее на поверхность, просто расплавлялось в магматических океанах. Там водород встречался с кислородом, и полученная вода перегревалась до состояния газа. Будучи легче магмы, водяной пар поднимался и выходил в атмосферу.
Однако этот процесс был своеобразной гонкой со временем, поскольку поверхность Земли охлаждалась. Как только сформировалась твёрдая корка из горных пород, вода перестала выходить наружу. Самые древние найденные нами породы датируются примерно 4,4 миллиарда лет назад — вероятно, именно тогда и образовалась твёрдая каменная оболочка. Но в этих породах есть признаки чего-то удивительного: они подвергались воздействию жидкого океана.
Да, как только Земля охладилась достаточно, чтобы закрыть магму, у нас появился океан! Хотя он, вероятно, немного отличался от тех океанов, которые мы видим сегодня.
Атмосфера ранней Земли
Атмосфера Земли в начале Гадейского периода была насыщена углекислым газом и была очень плотной, возможно, достигая давления в 215 бар — это в 215 раз больше, чем сейчас. При таком давлении и жаре поверхность Земли была… странной.
Сегодня вода превращается в пар при достижении 100 градусов Цельсия. Но при изменении давления можно изменить и температуру перехода воды в газообразное состояние. Это можно продемонстрировать, поднявшись на гору — на вершине Эвереста, где давление воздуха составляет треть от того, что мы наблюдаем на уровне моря, вода превращается в пар уже при 68 градусах Цельсия.
В Гадейский период гораздо более плотная атмосфера привела к обратному эффекту. Она была настолько плотной, что даже при температуре поверхности 230 градусов Цельсия вода не кипела! Таким образом, наш первый океан был… перегретым.
К счастью для нас, этот перегретый океан просуществовал недолго. К концу Гадейского периода, 4 миллиарда лет назад, поверхность Земли стала очень похожей на современную — каменная кора, океан из жидкости, но уже не перегретой воды, и атмосфера с примерно таким же давлением, как сегодня.
Химический состав земной воды
Однако существует одна серьёзная проблема с этой историей. Оказывается, химический состав воды и водорода в хондритовых метеоритах не соответствует химическому составу большей части воды на Земле… той воды, которая содержится в наших породах.
Когда мы говорим о химическом составе, мы имеем в виду изотопы, или типы водорода. Существует два действительно важных изотопа водорода: обычный, с одним протоном и одним электроном, и так называемый дейтерий, с протоном и нейтроном. Добавление нейтрона делает дейтерий «тяжелее» обычного водорода.
Большая часть дейтерия в нашей солнечной системе образовалась во время Большого взрыва. Он является важным компонентом хондритовых метеоритов — они «тяжёлые» из-за этого древнего типа водорода.
Океаны тоже довольно «тяжёлые», но современные океаны на самом деле не очень хорошо представляют нашу раннюю воду. Во-первых, они не достигают температуры 230 градусов Цельсия, а во-вторых, они находились на поверхности Земли в течение 4,4 миллиарда лет, поэтому мы знаем, что они претерпели некоторые изменения.
Вода в земной коре
Странно, но если мы хотим понять, как выглядела наша жидкая вода 4,4 миллиарда лет назад, нам фактически нужно посмотреть на воду, содержащуюся в наших породах.
Когда магматические океаны Земли охладились достаточно, чтобы образовать твёрдую каменную оболочку, не вся вода из магмы вышла в атмосферу. Многое из этого было заключено под поверхностью в слое Земли, известном как мантия.
Со временем части мантии были подняты на поверхность через тектонику плит, и мы смогли изучить водород, содержащийся в породах мантии. И он намного легче, чем водород, который мы видим в океанах.
Именно поэтому происхождение воды на Земле до сих пор является предметом споров — как у нас могла появиться такая лёгкая вода в породах, когда в хондритах содержится такая тяжёлая вода?
Современные исследования
Эта проблема вызвала множество исследований за последнее десятилетие. Учёные действительно нашли особый метеорит под названием энстатит, содержащий более лёгкий водород, но большинство из них считают, что этих метеоритов недостаточно, чтобы восполнить разницу.
Происхождение воды на Земле
Исследователи обнаружили, что образцы содержали необычно высокий уровень легкого водорода. Чтобы подтвердить свои подозрения о происхождении этого водорода, они провели эксперимент. Измеряя содержание водорода и воды в кристаллах оливина до и после воздействия солнечного ветра, они обнаружили, что кристаллы образовали корку накопленной воды с легким водородом — точно как в образцах астероидов.
Откуда взялась эта “легкая” вода?
Она буквально “легкая”, потому что пришла от Солнца! Солнечные ветры выбрасывают множество частиц, включая протоны. Когда эти протоны сталкиваются с пылью, они могут “украсть” электрон. Протон плюс электрон — это и есть легкий водород. При соединении с кислородом в горных породах образуется “легкая” вода.
Более реалистичный процесс: ион водорода попадает в космическую пыль или метеорит. При падении на Землю эта пыль несет “легкую” воду в наш магматический океан, где она со временем накапливается в мантии.
История воды на Земле оказалась сложной. В Гадейский эон мы накопили “легкую” воду и сохранили её в породах, ставших нашей мантией. Но метеориты продолжали падать, и наши океаны со временем наполнились более тяжелой водой.
Вода, которую вы пьете сегодня, проделала долгий путь и пришла не из одного источника. Она прибыла из космоса в виде метеоритов и обожженной солнечным ветром пыли, растворилась в магме, затем выветрилась и выпала дождем в перегретые лужи. Со временем она достаточно охладилась, чтобы появилась жизнь.
До новых встреч! Если статья показалась интересной, поставьте лайк и напишите комметарий.