Большинство жизненно важных элементов Земли, включая большую часть углерода и азота в вас, вероятно, пришли с другой планеты.

Скорее всего, Земля получила основную часть своего углерода, азота и других жизненно важных летучих элементов в результате столкновения планет, которое создало Луну более 4,4 миллиарда лет назад, согласно новому исследованию, проведенному петрологами Райсского университета в журнале Science Advances .

«Из исследования примитивных метеоритов ученые давно знают, что Земля и другие каменистые планеты во внутренней солнечной системе истощены летучими веществами», — сказал соавтор исследования Радждип Дасгупта. «Но сроки и механизм энергозависимых поставок горячо обсуждаются. Наш первый сценарий может объяснить сроки и сроки доставки таким образом, который согласуется со всеми геохимическими данными».

Доказательства были собраны из комбинации высокотемпературных экспериментов под высоким давлением в лаборатории Дасгупты, которая специализируется на изучении геохимических реакций, которые происходят глубоко внутри планеты под интенсивным воздействием тепла и давления.

В серии экспериментов ведущий автор исследования и аспирант Даманвир Грюал собрал доказательства, чтобы проверить давнюю теорию о том, что летучие вещества Земли появились в результате столкновения с зародышевой планетой, содержащей ядро, богатое серой.

Содержание серы в ядре планеты-донора имеет значение из-за удивительного множества экспериментальных данных об углероде, азоте и сере, которые существуют во всех частях Земли, кроме ядра.

«Ядро не взаимодействует с остальной частью Земли, но все, что находится над ней, мантия, кора, гидросфера и атмосфера, все связаны», — сказал Гревал. «Материальные циклы между ними».

Одной из давних идей о том, как Земля получала свои летучие вещества, была теория «позднего шпона» о том, что богатые летучими веществами метеориты, остатки первичного вещества из внешней солнечной системы, прибыли после образования ядра Земли. И хотя изотопные сигнатуры летучих веществ Земли соответствуют этим исконным объектам, известным как углеродистые хондриты, элементное отношение углерода к азоту отключено. В неосновном материале Земли, который геологи называют объемной силикатной Землей, содержится около 40 частей углерода на каждую часть азота, что примерно вдвое превышает соотношение 20-1, наблюдаемое в углеродистых хондритах.

Эксперименты Грюла, которые моделировали высокие давления и температуры во время образования керна, проверили идею о том, что богатое серой планетарное ядро ​​может исключать углерод или азот, или оба, оставляя намного большие доли этих элементов в объемном силикате по сравнению с Землей. В серии испытаний при различных температурах и давлении Grewal проверил, сколько углерода и азота попало в ядро ​​в трех сценариях: без серы, 10 процентов серы и 25 процентов серы.

«Азот практически не подвергался воздействию», — сказал он. «Он оставался растворимым в сплавах по отношению к силикатам, и только начал исключаться из ядра при самой высокой концентрации серы».

Углерод, напротив, был значительно менее растворим в сплавах с промежуточными концентрациями серы, а богатые серой сплавы занимали примерно в 10 раз меньше углерода по весу, чем сплавы без серы.

Используя эту информацию, наряду с известными соотношениями и концентрациями элементов как на Земле, так и в не земных телах, постдокторский исследователь Dasgupta, Grewal и Rice Chenguang Sun разработал компьютерное моделирование, чтобы найти наиболее вероятный сценарий, который породил летучие вещества на Земле. Чтобы найти ответ, нужно было изменить начальные условия, запустить примерно 1 миллиард сценариев и сравнить их с известными сегодня условиями в Солнечной системе.

«Мы обнаружили, что все свидетельства — изотопные сигнатуры, отношение углерода к азоту и общее количество углерода , азота и серы в объемной силикатной Земле — согласуются с лунообразующим воздействием с участием летучих подшипников, Марса. размером с богатую серой сердцевину «, — сказал Гревал.

Дасгупта, главный исследователь финансируемой НАСА работы под названием CLEVER Planets, которая исследует, как жизненно важные элементы могут объединяться на далеких каменистых планетах , сказала, что лучшее понимание происхождения жизненно важных элементов Земли имеет значение за пределами нашей солнечной системы.

«Это исследование показывает, что у каменистой, похожей на Землю планеты больше шансов приобрести жизненно важные элементы, если она образуется и растет в результате гигантских ударов с планетами, которые пробовали разные строительные блоки, возможно, из разных частей протопланетного диска», — сказал Дасгупта. ,

«Это устраняет некоторые граничные условия», — сказал он. «Это показывает, что жизненно важные летучие вещества могут поступать в поверхностные слои планеты, даже если они были созданы на планетарных телах, которые подверглись образованию ядра в очень разных условиях».

Дасгупта сказал, что, похоже, сам по себе объемный силикат Земли не смог бы достичь жизненно важных энергозависимых бюджетов, которые производили нашу биосферу, атмосферу и гидросферу.

«Это означает, что мы можем расширить наш поиск путей, которые приводят к тому, что изменчивые элементы собираются вместе на планете, чтобы поддерживать жизнь, какой мы ее знаем».