Phoebe Newman 
Woda uczyniła Ziemię tym, czym jest — planetą znaną z błękitnych oceanów. Woda tworzy Ziemię poprzez erozję i jest niezbędna dla zdolności Ziemi do podtrzymywania życia. Ale trudno nam zrozumieć, w jaki sposób Ziemia skończyła z całą tą wodą, ponieważ budulce, które ją stworzyły, prawdopodobnie wyschły, a zderzenia, które zamieniły te bloki budulcowe w planetę, powinny były wypchnąć wodę powierzchniową w przestrzeń kosmiczną. .
Zaproponowano różne sposoby dostarczania wody na Ziemię po jej utworzeniu. Ale nowe badanie wykorzystuje informacje zebrane podczas badania egzoplanet i stosuje je na Ziemi. Wyniki wskazują, że reakcje chemiczne, które miały miejsce podczas formowania się Ziemi, wyprodukowałyby wystarczającą ilość wody, aby wypełnić światowe oceany. Dodatkową korzyścią jest to, że model wyjaśnia nieco dziwną gęstość jądra Ziemi.
wodoodporny
Wydaje się, że Ziemia została stworzona głównie z materiałów znajdujących się w wewnętrznym Układzie Słonecznym. Materiał ten nie tylko znajdował się we właściwym miejscu, ale materiał w asteroidach w regionie zapewniał dobre dopasowanie pod względem ich składu pierwiastkowego i izotopowego. Ale ten materiał jest również bardzo suchy. To żadna niespodzianka. Temperatury w tym regionie uniemożliwiłyby kondensację wody w ciało stałe, ponieważ może istnieć w Układzie Słonecznym, poza punktem znanym jako „linia lodu” wody.
Wszelka woda w kosmosie zostałaby utracona, ponieważ uważa się, że proces budowy planet zachodził w wyniku zderzeń między małymi ciałami, przy czym większe ciała stopniowo rosły, gdy mniejsze ciała nadal się z nimi zderzały. Znaczna część wody w tych obiektach wyparowałaby i prawdopodobnie zostałaby utracona w kosmosie.
Ale trzech badaczy (Edward Young, Anat Shahar i Hilke Schlichting) skupiło się na dodatkowym czynniku, który mógł być obecny podczas formowania się Układu Słonecznego: wodorze. Uważa się, że wodór jest obecny w dużych ilościach we wczesnym okresie formowania się planet, ale jest następnie wypychany przez promieniowanie uwalniane po zapaleniu się gwiazdy centralnej. W naszym Układzie Słonecznym część z nich została przechwycona przez planety zewnętrzne, zanim została utracona. Ale wydaje się, że nasze planety wewnętrzne uformowały się z niewielką ilością pierwiastków lub bez pierwiastków na początku swojej historii.
Ale spojrzenie na egzoplanety sugeruje, że nie jest to nieunikniony los. Znaleźliśmy kilka superskalistych planet, które również wydają się nie mieć atmosfery bogatej w wodór. Istnieje jednak luka mniej więcej dwa razy większa od promienia Ziemi, w której widzimy dużo młodego Neptuna, który wydaje się zachowywać gęstą, prawdopodobnie bogatą w wodór atmosferę. Doprowadziło to do sugestii, że wszystkie skaliste planety zaczynają się w środowisku bogatym w wodór iz tego tworzą swoją pierwszą atmosferę. Ale poniżej pewnego rozmiaru ten wodór jest tracony później w ich historii. Atmosfera obecna na tych planetach jest prawdopodobnie wynikiem formacji wtórnej.
Biorąc to do logicznego wniosku, Ziemia mogła również mieć atmosferę bogatą w wodór. Dlatego naukowcy zaangażowani w nowe badanie postanowili przyjrzeć się, jakie mogą być konsekwencje takiego scenariusza.
Chemia planetarna
Aby zbadać ten pomysł, naukowcy zasadniczo stworzyli model gigantycznego reaktora chemicznego wypełnionego większością składników wczesnej Ziemi i powiększonego do rozmiarów dużego prekursora Ziemi (o połowę mniejszego od obecnej Ziemi). Obejmuje to tlenki żelaza, sodu, różne krzemiany, dwutlenek węgla, metan, tlen i inne. Wszystko to zostało umieszczone w bogatej w wodór atmosferze i podgrzane, aby odbijać oceany magmy z powtarzających się zderzeń, które miały miejsce podczas formowania się planet.
Okres ten prawdopodobnie trwał dziesiątki milionów lat, po części dlatego, że atmosfera wodoru bardzo dobrze zatrzymuje ciepło (może działać jak gaz cieplarniany). Daje to zachodzącym reakcjom chemicznym – z których 18 śledzili naukowcy – czas na osiągnięcie równowagi i wystarczająco dużo czasu, aby różne materiały we wnętrzu planety rozdzieliły się na podstawie gęstości.
Jedną z rzeczy, która się dzieje, jest włączenie wielu pierwiastków do żelaznego rdzenia, w tym tlenu, krzemu i wodoru. Ponieważ wszystkie one są mniej gęste niż żelazo, powoduje to, że rdzeń jest mniej gęsty, niż gdyby był czystym żelazem – co jest prawdą w przypadku rzeczywistej Ziemi.
W niektórych reakcjach stapianie wodoru wiąże się z wypieraniem tlenu, a produktem ubocznym tych reakcji jest woda. W badanych tutaj warunkach reakcje wytwarzają taką samą objętość, jak w obecnych oceanach Ziemi. „Nawet jeśli skały w wewnętrznym Układzie Słonecznym są całkowicie suche” – napisali naukowcy, reakcje między H.2 Atmosfera i oceany magmy będą generować obfite ilości H2O. Inne źródła H2O jest możliwe, ale nie wymagane.
granice modelowania
Plusem jest to, że symulacja działa w szerokim zakresie temperatur — wystarczy dość ciepła, aby planeta topniała, podczas gdy opisane tutaj procesy osiągają równowagę. Działa również dla różnych rozmiarów prekursorów, ale kończy się niepowodzeniem, jeśli prekursor jest za mały. Odpowiada to ekstremalnej suchości Marsa i Merkurego. Zmienna pierwotna kończy się ilością produkowanej wody; Gdyby więcej wodoru znalazło się w jądrze, mogłoby z łatwością stworzyć wodny świat trzykrotnie większy od dzisiejszych oceanów.
Chociaż model jest odporny na wiele zmian warunków początkowych, jest ograniczony przez to, że nie daje pełnego obrazu chemii wczesnej Ziemi. Warto zauważyć, że siarka i azot odegrały główną rolę w chemii Ziemi.
Ale dużą luką w modelu jest to, co dzieje się po uformowaniu się wody. Ponieważ istnieje ocean magmy, trafi ona do atmosfery, gdzie może zostać oddzielona przez promieniowanie słoneczne i utracona, jeśli wodór w Układzie Słonecznym rzeczywiście się rozproszy. To samo dotyczy wszelkich następstw, które ociepliły planetę, takich jak gigantyczne uderzenie, które ukształtowało Księżyc. Jeśli nadal jest wystarczająco dużo wodoru, nie stanowi to problemu, ponieważ woda może go naprawić. Naukowcy powołują się na badania pokazujące, że atmosfera bogata w wodę może przetrwać nawet potężne uderzenie. Na koniec można sobie wyobrazić warunki, w których początkowo wytwarzano nadmiar wody, ale w wyniku tych procesów utracono wystarczająco dużo wody, aby pozostawić Ziemię w jej obecnym stanie.
Tak więc, podczas gdy produkcja wody nie wymaga dostrajania warunków, jej zatrzymywanie może.
Ale implikacje dla światów poza naszym własnym wydają się nieco większe. Wyniki te wskazują, że podczas formowania się planet skalistych woda musiała powstawać w szerokim zakresie warunków początkowych. Dlatego, kiedy myślimy o planetach w egzosystemach, bardziej wątpliwe może być pytanie, czy doświadczyły warunków, które spowodowałyby utratę wody, niż pytanie, czy mogły ją mieć.
Przyroda, 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-05823-0 (o DOI).
