Кредит: CC0 Общественный домен
Когда Земля впервые сформировалась, было слишком жарко, чтобы сохранить лед. Это означает, что вся вода на нашей планете должна была возникнуть из инопланетных источников. Исследования древних наземных пород предполагают, что жидкая вода существовала на земле уже через 100 миллионов лет после того, как солнцезащитное образование — практически «немедленно» на астрофизическом масштабе времени. Эта вода, которой сейчас старше 4,5 миллиардов лет, постоянно обновляется в течение цикла воды Земли.
Моя исследовательская группа недавно предложила новую теорию, чтобы объяснить, как вода впервые прибыла на Землю. Наша статья опубликована в журнале «Астрономия и астрофизика».
Загадка миллиардов лет в создании
Астрофизики сталкиваются с вопросом о том, как вода прибыла на нашу молодую планету на протяжении десятилетий. Одна из самых ранних гипотез предполагала, что вода Земли была прямым побочным продуктом формирования планеты, выпущенной через магму во время извержений вулкана, в котором большая часть испускаемого газа — это водяной пар.
Тем не менее, эта гипотеза развивалась в 1990 -х годах после анализа состава воды Земли и открытия потенциальной роли ледяных комет, указывая на внеземного происхождения. Кометы, которые представляют собой смеси льда и породы, образованные в отдаленных досягах солнечной системы, иногда выброшены к солнцу. Когда они нагреты солнцем, у них развиваются поразительные хвосты пыли и газа, которые видны с Земли. Астероиды, расположенные в поясе астероида между Марсом и Юпитером, также были предложены в качестве потенциальных предшественников воды Земли.
Изучение кометральных и астероидных пород с помощью метеоритов -плавных фрагментов этих тел, которые упали на Землю, дало ключевое понимание. Анализируя соотношение D/H — долю тяжелого водорода (дейтерий) к стандартным водородным стилистам обнаружил, что вода Земли более близко соответствует доли «углеродистых» астероидов, которые несут следы прошлой воды. Это сместило фокус исследований в отношении этих астероидов.
Недавние исследования были сосредоточены на выявлении небесных механизмов, которые могли бы доставить эти богатые водой астероиды на сухую поверхность ранней земли. Появились многочисленные теории, чтобы объяснить «возмущение» планетезималов — более жаркие, ледяные тела в поясах астероидов и куйпер. Эти сценарии предлагают гравитационные взаимодействия, которые сместили эти объекты, посылая их, кажущиеся к земле. Такие события потребовали бы сложного «гравитационного бильярдного», что указывает на бурную историю солнечной системы.
Хотя очевидно, что планетарное образование включало значительные средства и воздействие, возможно, что доставка воды в Земле произошла более естественным и менее драматичным образом.
Более простая гипотеза
Я начал с предположения, что астероиды появляются из их кокона, также известного как протопланетический диск. Этот кокон представляет собой массивный, богатый водородом диск, наполненный пылью, где образуются планеты и начальные пояса. Он охватывает всю зарождающуюся планетарную систему. Как только этот защитный кокон рассеивается — после нескольких миллионов лет — астероиды разогреваются, в результате чего их лед растает или, точнее, к сублимации. В пространстве, где давление почти равна нулю, вода остается в паре после этого процесса.
Затем диск водяного пара накладывается на пояса астероида, вращающегося на солнце. По мере того, как ледяной сублимирован, диск заполняется паром, который распространяется внутрь солнца из -за сложных динамических процессов. Попутно этот паровский диск встречает внутренние планеты, погружая их в своего рода «ванну». В некотором смысле, диск «вода» на земных планетах: Марс, Земля, Венера и Меркурий. Большая часть этого захвата воды произошла через 20-30 миллионов лет после формирования солнца, в течение периода, когда светимость солнца резко увеличилась в течение короткого периода времени, увеличивая скорость дегрессии астероидов.
Как только вода захвачена гравитационным притяжением планеты, может произойти много процессов. На земле, однако, защитный механизм гарантирует, что общая масса воды остается относительно постоянной с конца периода захвата до сегодняшнего дня. Если вода поднимается слишком высоко в атмосферу, она конденсируется в облака, которые в конечном итоге возвращаются на поверхность как дождь — процесс, известный как цикл воды.
Количество воды на земле, как прошлое, так и настоящее, хорошо задокументировано. Наша модель, которая начинается с дегазации льда из оригинального пояса астероидов, успешно объясняет количество воды, необходимое для образования океанов, рек и озер, и даже воды, похороненной глубоко в мантии земли. Точные измерения соотношения D/H воды в океанах также соответствуют нашей модели. Более того, модель объясняет количество воды, присутствующих в прошлом на других планетах, и даже на Луне.
Вы можете задаться вопросом, как я пришел к этой новой теории. Он связан с недавними наблюдениями, особенно с теми, которые были сделаны с Alma, радиотелескопом, из более 60 антенн, расположенных в Чили, на плато в пяти километрах над уровнем моря. Наблюдения за экстразолярными системами с поясами, аналогичными ремню Куйпера, показывают, что планетезималы в этих поясах сублимают угарный газ (CO). Для ремней ближе к их звезде, таким как астероидный ремень, CO слишком изменен, чтобы присутствовать, а вода с большей вероятностью будет высвобождена.
Откройте для себя последние в науке, технологии и пространстве с более чем 100 000 подписчиков, которые полагаются на Phys.org для Daily Insights. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получите обновления о прорывах, инновациях и исследованиях, которые имеют значение — ежедневно или еженедельно.
Создание модели
Именно из этих выводов первоначальная идея теории начала формироваться. Более того, недавние данные из миссий Hayabusa 2 и Osiris-Rex, в которых изучались астероиды, аналогичные тем, которые могли бы способствовать формированию начального диска водяного пара, предоставили ключевое подтверждение.
Эти миссии, наряду с давними наблюдениями из наземных телескопов, выявили значительные количества гидратированных минералов на этих астероидах-минералах, которые могут образовываться только путем контакта с водой. Это подтверждает предпосылку, что эти астероиды были изначально ледяными, хотя большинство с тех пор потеряли свой лед (за исключением более крупных тел, таких как Ceres).
В основе модели на месте, следующим шагом было разработка численного моделирования для отслеживания дегазации льда, дисперсии водяного пара и его возможного захвата планетами. Во время этих симуляций быстро стало ясно, что модель может объяснить водоснабжение Земли. Дополнительные исследования по количеству воды для Марса и других наземных планет также подтвердили применимость модели к ним. Все это подходит, и результаты были готовы к публикации.
Как исследователи, этого недостаточно для разработки модели, которая работает и, кажется, все объясняет. Теория должна быть проверена в более широком масштабе. Несмотря на то, что теперь невозможно обнаружить начальный диск водяного пара, который «поливал» наземные планеты, мы можем обратиться к экстразолярным системам с молодыми поясами астероидов, чтобы увидеть, существуют ли такие диски водяного пара. Согласно нашим расчетам, эти диски, хотя и слабые, должны быть обнаружены с Alma. Наша команда только что получила время на Алме, чтобы исследовать конкретные системы для их доказательств.
Мы можем быть на рассвете новой эры в понимании происхождения воды Земли.
Обеспечивается разговором
