Источник воды на Земле — непреходящая загадка, которая распространяется и на экзопланеты, и на понятие обитаемости. В широком смысле, вода Земли была либо частью планеты с самого начала ее формирования в солнечной туманности, либо доставлена позже, возможно, астероидами и кометами.
Новое исследование предполагает, что неустанный солнечный ветер на Солнце мог сыграть свою роль.
Ученые усердно работали, чтобы понять, откуда на Земле столько живительной воды. Существует множество исследований, подтверждающих сценарий доставки астероида/кометы. Есть также свидетельства того, что по мере роста он накапливал воду. Во время фазы аккреции он мог поглотить богатые водой планетезимали.
Чтобы попытаться понять, как земная вода вписывается в историю планеты и Солнечной системы, исследователи изучают соотношение изотопов на Земле и в метеоритах. Изотопный состав земной воды наиболее близок к примитивным метеоритам. С другой стороны, он отличается от комет и туманного газа.
Это означает, что вода на Земле произошла из того же космохимического резервуара, который также является источником примитивных метеоритов.
Это сложный вопрос. Возможно, вода на Земле имеет несколько источников. Возможно, некоторые из них были созданы в космосе спустя много времени после формирования Земли и остальной части Солнечной системы, а затем доставлены на Землю.
Новое исследование, опубликованное в The Astrophysical Journal, показывает, как солнечный ветер может создавать воду, когда он ударяется о поверхности, содержащие кислородсодержащие минералы. Она называется «Вклад звездного ветра в происхождение воды на поверхности кислородсодержащих минералов». Ведущий автор — Сватолпук Цивиш из Института физической химии им. Й. Гейровского Чешской академии наук в Праге.
Солнечный ветер — это постоянный поток заряженных частиц, в основном протонов и электронов, которые исходят от Солнца. Ионы H+, которые представляют собой просто протоны, являются наиболее распространенными частицами в солнечном ветре. Они вносят большой вклад в свойства солнечного ветра. Может ли ветер вызвать создание молекул воды?
Чтобы выяснить это, исследователи провели лабораторные эксперименты. Они протестировали 14 кислородсодержащих минералов. «Для исследования процесса образования воды на поверхности оксидных материалов и содержания воды мы использовали технику бомбардировки поверхности атомами и ионами водорода или дейтерия», — пишут авторы в своей статье.
Эксперименты состояли из двух этапов: первый проверял, будут ли минералы выделять воду под воздействием солнечного ветра, а второй проверял их адсорбционную способность. Помимо абсорбции, адсорбция представляет собой прилипание образца к поверхности.
Команда произвела воду, а затем измерила ее, используя два метода: эксперимент с микроволновым (МВт) разрядом и облучение распылителем. Они проверили результаты с помощью спектрометрического анализа, называемого инфракрасной спектрометрией с преобразованием Фурье (FTIR) и анализом температурно-программированной десорбции (TPD).
«Оба этих эксперимента включают в себя образец минерала, бомбардируемый ионами водорода/дейтерия, которые, помимо прочего, реагируют с поверхностным кислородом в решетке минерала и образуют молекулы воды», — пишут авторы.
Образцы оксидного материала подвергались не только воздействию сильного потока H, H+ и молекулярного водорода, имитирующего солнечный ветер. Они также подверглись интенсивному видимому и УФ-излучению, образующемуся при разряде водорода.
«Облучение звездным ветром скальных кислородсодержащих минералов приводит к реакции между ионами H+ и силикатными минералами с образованием воды и OH, что может объяснить присутствие воды в реголитах безвоздушных миров, таких как Луна, а также воды изобилие астероидов», — пишут авторы.
Предыдущие исследования установили, что химическая реакция происходит между ионами водорода и силикатными минералами, когда каменные материалы подвергаются воздействию солнечного ветра. Некоторые исследователи наблюдали образование ОН (гидроксида) и воды, а другие обнаружили только ОН. Это исследование идет глубже, проверяя каменные материалы на способность к адсорбции воды.
Исследователи проверили способность образцов поглощать воду. Затем они подсчитали, сколько материала нужно будет достичь Земли, чтобы учесть количество воды на современной Земле.
«Помимо материала, полученного Землей во время аккреции, солнечно-ветровое происхождение воды и ее доставка на Землю могли продолжаться даже во время постаккреционной бомбардировки», — пишут авторы. Здесь они имеют в виду гипотетическую позднюю тяжелую бомбардировку.
Предыдущие исследования показывают, что «столкновения астероидов и комет во время классической поздней тяжелой бомбардировки принесут около 10 фунтов стерлингов».20 кг материала», — пишут авторы. «Если поверхность этого материала была полностью насыщена адсорбированной водой, состоящей из одного из наших минералов, наши расчеты показывают, что сюда мог быть принесен по крайней мере один океанский эквивалент воды».
Нет особых сомнений в результатах этих испытаний и способности солнечного ветра создавать воду.
«Результаты экспериментов, обобщенных в данной работе, ориентированных на бомбардировку поверхности атомами водорода, четко подтверждают теорию взаимодействия возбужденных ридберговских атомов и ионов водорода или дейтерия с поверхностными кислородами оксидных минералов», — поясняют авторы. «Наши эксперименты пытаются объяснить происхождение воды в областях кислородсодержащего твердого материала (например, пыли, метеороидов, астероидов, комет), подвергающихся воздействию потока заряженных частиц вблизи родительской звезды».
Атмосфера и магнитосфера Земли защищают ее от солнечного ветра, поэтому ветер не может создать воду прямо на поверхности Земли. Однако, как показывает исследование, ветер может создавать воду на поверхности других тел, таких как астероиды, и вода может адсорбироваться и удерживаться, а затем доставляться на Землю посредством ударов.
«Этот сценарий применим и к происхождению воды на Земле», — пишут авторы. «Благодаря этому эффекту молекула воды может адсорбироваться на поверхности кислородсодержащих частиц, а затем транспортироваться на большие расстояния и время», — пишут исследователи.
Это исследование не станет концом продолжающихся усилий по учету воды на Земле. Это исследование удивительным окольным путем возвращает нас к астероидам и метеоритам, доставляющим воду на Землю. Если это может произойти здесь, то это может произойти и на экзопланетах в других частях галактики.
