Возраст воды на Земле составляет 4,5 миллиарда лет

Прочитано: 394 раз(а)


Возраст воды на Земле составляет 4,5 миллиарда лет, говорится в новом исследовании.

Происхождение воды на Земле всегда было загадкой. Существуют различные гипотезы и теории, объясняющие, как сюда попала вода, и множество доказательств, подтверждающих их.

Но вода вездесуща в протопланетных дисках, и происхождение воды может быть не таким уж загадочным.

Исследовательская статья в Elements показывает, что в других молодых солнечных системах много воды. В солнечных системах, таких как наша, вода приходит в движение по мере роста молодой звезды и формирования планет. Доказательством является содержание тяжелой воды на Земле , и оно показывает, что возраст воды на нашей планете составляет 4,5 миллиарда лет.

Статья называется «Мы пьем хорошую воду возрастом 4,5 миллиарда лет», авторы — Сесилия Чеккарелли и Фуджун Ду. Чеккарелли — итальянский астроном из Института планетарных наук и астрофизики в Гренобле, Франция. Ду — астроном из обсерватории Пурпурной горы в Нанкине, Китай.

Возраст воды на Земле составляет 4,5 миллиарда лет

Формирование Солнечной системы начинается с гигантского молекулярного облака. Облако в основном состоит из водорода, основного компонента воды. Далее следуют гелий, кислород и углерод в порядке изобилия. Облако также содержит крошечные зерна силикатной пыли и углеродистой пыли. Исследовательская статья знакомит нас с историей воды в нашей Солнечной системе, и именно здесь она начинается.

Здесь, в холодных пределах молекулярного облака, когда кислород сталкивается с пылинкой, он замерзает и прилипает к поверхности. Но вода не вода до тех пор, пока водород и кислород не соединятся, и более легкие молекулы водорода в облаке скачут по замерзшим пылинкам, пока не столкнутся с кислородом. Когда это происходит, они реагируют и образуют водяной лед — воду двух типов: обычную воду и тяжелую воду, содержащую дейтерий.

Дейтерий — это изотоп водорода, называемый тяжелым водородом (HDO). В его ядре есть протон и один нейтрон. Это отличает его от «обычного» водорода, называемого протием. В протии есть протон, но нет нейтрона. Оба этих изотопа водорода стабильны и сохраняются по сей день, и оба могут соединяться с кислородом с образованием воды.

Когда водяной лед образует мантию на пылинках, авторы называют это холодной фазой, первой стадией процесса, который они излагают в своей статье.

Гравитация начинает действовать в облаке по мере того, как материя сгущается в центре. Больше массы попадает в центр молекулярного облака и начинает формировать протозвезду. Часть гравитации преобразуется в тепло, и в пределах нескольких астрономических единиц (а.е.) от центра облака температура газа и пыли в диске достигает 100 Кельвинов.

100 К – это очень холодно по земным меркам, всего –173 градуса по Цельсию. Но с химической точки зрения этого достаточно, чтобы вызвать сублимацию, и лед меняет фазу на водяной пар. Сублимация происходит в горячей области корино, теплой оболочке, окружающей центр облака. Хотя они также содержат сложные органические молекулы, вода становится самой распространенной молекулой в корино.

Воды в этой точке предостаточно, хотя она вся состоит из пара. «…в типичном горячем корино содержится примерно в 10 000 раз больше воды, чем в океанах Земли», — пишут авторы.

Это второй шаг в процессе, описанном авторами, и они называют его фазой протозвезды.

Затем звезда начинает вращаться, а окружающие ее газ и пыль образуют сплющенный вращающийся диск, называемый протопланетным диском. Все, что в конечном итоге станет планетами Солнечной системы и другими объектами, находится внутри этого диска.

Молодая протозвезда все еще набирает массу, и ее термоядерная жизнь на главной последовательности еще впереди. Молодая звезда выделяет некоторое количество тепла от толчков на своей поверхности, но не очень много. Таким образом, диск холодный, а области, наиболее удаленные от молодой протозвезды, самые холодные. По мнению авторов, то, что произойдет дальше, имеет решающее значение.

Водяной лед, образовавшийся на первом этапе, превращается в газ на втором этапе, но снова конденсируется в самых холодных частях протопланетного диска. Та же популяция пылинок снова покрыта ледяной мантией. Но теперь молекулы воды в этой ледяной мантии содержат историю воды в Солнечной системе. «Таким образом, пылинки являются хранителями водной наследственности», — пишут авторы.

Это третий шаг в этом процессе.

На четвертом этапе Солнечная система начинает обретать форму и становится более похожей на полностью сформированную систему. Все, к чему мы привыкли, например, планеты, астероиды и кометы, начинают формироваться и занимать свои орбиты. И от чего они происходят? Эти крошечные пылинки и их дважды замороженные молекулы воды.

Это ситуация, в которой мы находимся сегодня. Хотя астрономы не могут путешествовать во времени, они все лучше наблюдают за другими молодыми солнечными системами и находят ключи ко всему процессу. Земная вода также содержит важную подсказку: соотношение тяжелой воды и обычной воды.

Некоторые детали не учитываются в простом объяснении, данном до сих пор. Когда на первом этапе образуется водяной лед, температура очень низкая. Это вызывает необычное явление, называемое супердейтерированием. Супердейтерирование вводит в водяной лед больше дейтерия, чем при других температурах.

Дейтерий образовался только через несколько секунд после Большого взрыва. Его образовалось немного: всего один дейтерий на каждые 100 000 атомов протия. Это означает, что если бы дейтерий был равномерно перемешан с водой Солнечной системы, содержание тяжелой воды было бы выражено как 10 -5 . Но впереди еще больше сложностей.

В жарком корино изобилие меняется. «Однако в горячих корино отношение HDO/H 2 O лишь немногим меньше 1/100», — объясняют авторы. (HDO — молекулы воды, содержащие два изотопа дейтерия, а H 2 O — обычная вода, содержащая два изотопа протия.)

Там еще больше крайности. «Чтобы сделать вещи еще более экстремальными, — объясняют авторы, — дважды дейтерированная вода D2O составляет 1/1000 по отношению к H 2 O, а именно примерно в 10 7 раз больше, чем можно было бы оценить по соотношению содержания элементов D/H. »

Соотношения содержат такое большое количество дейтерия из-за сверхдейтерирования. В тот момент, когда на поверхности пылинок образуется лед, увеличивается количество атомов D по сравнению с атомами H, попадающими на поверхности пылинок. Подробное химическое объяснение выходит за рамки этой статьи, но вывод ясен. «Нет других способов получить такое большое количество тяжелой воды ни в горячих кориносах, ни вообще», — пишут авторы. «Поэтому обилие тяжелой воды является отличительной чертой синтеза воды в холодном молекулярном облачном скоплении в эпоху STEP 1».

Возраст воды на Земле составляет 4,5 миллиарда лет

Пока что важно то, что есть два эпизода синтеза воды. Первый случается, когда Солнечная система еще не сформировалась и представляет собой лишь холодное облако. Во-вторых, когда формируются планеты. Оба происходят в разных условиях, и эти условия оставляют свой изотопный отпечаток на воде. Воде первого синтеза 4,5 миллиарда лет, и возникает вопрос: «Сколько этой древней воды достигло Земли?»

Чтобы выяснить это, авторы наблюдали единственные две вещи, которые они могли: количество воды в целом и количество дейтерированной воды. Как выразились авторы, «…а именно отношение тяжелой воды к обычной, HDO/H 2 O».

Было создано более чем достаточно воды, чтобы составлять воду Земли. Вспомните, что количество воды в горячем корино было в 10 000 раз больше, чем воды на Земле, и его соотношение HDO/H 2 O отличается от воды, образовавшейся в начальном облаке. Сколько воды Корино достигло Земли? Подсказку можно найти, сравнивая значения HDO/H 2 O в земной воде с таковыми в горячих корино.

Горячие корино — единственное место, где мы наблюдали HDO в любых еще формирующихся планетарных системах солнечного типа. В предыдущих исследованиях ученые сравнивали эти отношения с отношениями объектов в нашей Солнечной системе — комет, метеоритов и ледяного спутника Сатурна Энцелада. Таким образом, они знают, что изобилие тяжелой воды на Земле, отношение HDO/H 2 O, примерно в десять раз больше, чем во Вселенной и в начале Солнечной системы. «Тяжелая вода на Земле примерно в 10 раз больше, чем элементарное отношение D/H во Вселенной и, следовательно, при рождении Солнечной системы, в так называемой солнечной туманности», — объясняют авторы.

Результаты всей этой работы показывают, что от 1% до 50% земной воды образовалось на начальной стадии рождения Солнечной системы. Это широкий диапазон, но это все еще важная часть знаний.

Авторы подводят итоги в своем заключении. «Вода в кометах и ​​астероидах (от которых происходит подавляющее большинство метеоритов) также была унаследована с самого начала в больших количествах. Земля, вероятно, унаследовала свою первоначальную воду преимущественно от планетезималей, которые, как предполагается, были предшественниками астероидов и планет, которые сформировали Землю, а не из комет, которые сыпались на нее дождем».

Доставка кометами — еще одна гипотеза для земной воды. В этой гипотезе замерзшая вода из-за линии замерзания достигает Земли, когда кометы потревожены и отправлены из замерзшего облака Оорта во внутреннюю часть Солнечной системы. Идея имеет смысл.

Но это исследование показывает, что это может быть не так.

Тем не менее, он все еще оставляет вопросы без ответов. Это не объясняет, как вся вода достигла Земли. Но исследование показывает, что количество тяжелой воды на Земле — это, по крайней мере, начало понимания этого.

«В заключение следует сказать, что количество тяжелой воды на Земле — это наша нить Ариадны, которая может помочь нам выбраться из лабиринта всех возможных путей, по которым могла пройти Солнечная система», — объясняют они.

Возраст воды на Земле составляет 4,5 миллиарда лет, как и говорится в заголовке статьи. По крайней мере, некоторые из них. По мнению авторов, планетозимали, вероятно, доставили его на Землю, но как именно это происходит, неясно. Есть гораздо больше сложностей, с которыми ученым нужно разобраться, прежде чем они смогут понять это. «Вопрос весьма сложный, потому что происхождение и эволюция земной воды неизбежно связаны с другими важными участниками на этой планете, например, с углеродом, молекулярным кислородом и магнитным полем», — пишут авторы.

Все эти вещи тесно связаны с тем, как возникла жизнь и как сформировались миры. Вода, вероятно, сыграла роль в формировании планетезималей, которые доставили ее на Землю. Вода, вероятно, сыграла роль в выделении других химических веществ, в том числе строительных блоков жизни, на скальных телах, которые доставили их на Землю.

Вода находится в центре всего этого, и, показав, что часть ее восходит к самым истокам Солнечной системы, авторы предоставили отправную точку для выяснения остальной ее части.

«Здесь мы представили упрощенную раннюю историю воды Земли в соответствии с самыми последними наблюдениями и теориями», — пишут они. «Значительная часть земной воды, вероятно, образовалась в самом начале зарождения Солнечной системы, когда она представляла собой холодное облако газа и пыли, застывшее и законсервированное на различных стадиях, приведших к образованию планет, астероидов и комет. в конечном итоге переданы на зарождающуюся Землю».

«Как произошло последнее прохождение — это еще одна захватывающая глава», — заключают они.

Возраст воды на Земле составляет 4,5 миллиарда лет



Новости партнеров