Voda urobila zo Zeme to, čím je – planétu známu svojimi modrými oceánmi. Voda tvorí Zem prostredníctvom erózie a je nevyhnutná pre schopnosť Zeme podporovať život. Je však ťažké pochopiť, ako Zem skončila so všetkou tou vodou, pretože stavebné bloky, ktoré ju vytvorili, pravdepodobne vyschli a kolízie, ktoré zmenili tieto stavebné bloky na planétu, mali vytlačiť akúkoľvek povrchovú vodu do vesmíru. .

Boli navrhnuté rôzne spôsoby dodávania vody na Zem po jej vzniku. Nová štúdia však berie informácie získané pri skúmaní exoplanét a aplikuje ich na Zem. Výsledky naznačujú, že chemické reakcie, ktoré by prebehli počas formovania Zeme, by vyprodukovali dostatok vody na naplnenie svetových oceánov. A ako vedľajšiu výhodu model vysvetľuje trochu zvláštnu hustotu zemského jadra.

vodeodolný

Zdá sa, že Zem bola vytvorená predovšetkým z materiálov vo vnútornej slnečnej sústave. Nielenže bol tento materiál na správnom mieste, ale materiál v asteroidoch v tejto oblasti poskytoval dobrú zhodu, pokiaľ ide o ich elementárne a izotopové zloženie. Ale tento materiál je tiež veľmi suchý. Nie je to žiadne prekvapenie. Teploty v tejto oblasti by zabránili kondenzácii vody na pevnú látku, aká môže existovať v slnečnej sústave, za bodom známym ako „ľadová čiara“ vody.

Akákoľvek voda vo vesmíre by sa stratila, pretože sa predpokladá, že proces budovania planét nastal kolíziami medzi malými telesami, pričom väčšie telesá sa postupne zväčšovali, keď sa s nimi naďalej zrážali menšie telesá. Veľká časť vody v týchto objektoch by sa vyparila a možno by sa stratila vo vesmíre.

Ale traja výskumníci (Edward Young, Anat Shahar a Hilke Schlichting) sa zamerali na ďalší faktor, ktorý mohol byť prítomný počas formovania slnečnej sústavy: vodík. Predpokladá sa, že vodík je prítomný vo veľkých množstvách počas raného obdobia formovania planét, ale potom je vytlačený žiarením uvoľneným po zapálení centrálnej hviezdy. V našej slnečnej sústave bola časť zachytená vonkajšími planétami predtým, ako sa stratila. Zdá sa však, že naše vnútorné planéty sa sformovali s malým alebo žiadnym prvkom na začiatku svojej histórie.

Ale pohľad na exoplanéty naznačuje, že to nie je nevyhnutný osud. Našli sme niekoľko super-kamenných planét, ktorým tiež zrejme chýba atmosféra bohatá na vodík. Ale je tu medzera asi dvojnásobok polomeru Zeme, kde vidíme veľa mladého Neptúna, ktorý si zrejme zachoval hustú atmosféru, pravdepodobne bohatú na vodík. To viedlo k návrhu, že všetky kamenné planéty začínajú v prostredí bohatom na vodík a z toho vytvárajú svoje prvé atmosféry. Ale pod určitou veľkosťou sa tento vodík neskôr v ich histórii stratí. Akékoľvek atmosféry prítomné na týchto planétach sú pravdepodobne výsledkom sekundárnej formácie.

Keď to vezmeme do logického záveru, Zem mohla tiež začať s atmosférou bohatou na vodík. Vedci zapojení do novej štúdie sa preto rozhodli pozrieť na to, aké môžu byť dôsledky tohto scenára.

Planetárna chémia

Na preskúmanie tejto myšlienky výskumníci v podstate vymodelovali obrovský chemický reaktor naplnený väčšinou zložiek ranej Zeme a rozšírený na veľkosť veľkého zemského prekurzora (polovičnú veľkosť súčasnej Zeme). Patria sem napríklad oxidy železa, sodík, rôzne kremičitany, oxid uhličitý, metán, kyslík a ďalšie. To všetko bolo umiestnené do atmosféry bohatej na vodík a zahrievané, aby odrážalo oceány magmy z opakovaných kolízií, ku ktorým došlo počas formovania planét.

Toto obdobie pravdepodobne trvalo desiatky miliónov rokov, čiastočne preto, že vodíkové atmosféry majú tendenciu veľmi dobre zadržiavať teplo (môžu pôsobiť ako skleníkový plyn). To dáva prebiehajúcim chemickým reakciám – z ktorých výskumníci sledovali 18 – čas na dosiahnutie rovnováhy a dostatok času na to, aby sa rôzne materiály vo vnútri planéty rozdelili na základe hustoty.

Jedna z vecí, ktorá sa stane, je, že do železného jadra je začlenených veľa prvkov vrátane kyslíka, kremíka a vodíka. Keďže všetky sú menej husté ako železo, má to za následok, že jadro je menej husté, ako by bolo, keby to bolo čisté železo – čo platí pre skutočnú Zem.

V niektorých reakciách fúzovanie vodíka zahŕňa vytesnenie kyslíka a vedľajším produktom týchto reakcií je voda. Za tu skúmaných podmienok reakcie produkujú rovnaký objem, aký sa nachádza v súčasných oceánoch Zeme. „Aj keď sú horniny vo vnútornej slnečnej sústave úplne suché,“ napísali vedci, reakcie medzi H.₂ Atmosféra a magmatické oceány budú generovať veľké množstvo H₂O. Iné zdroje H₂O je možné, ale nie povinné.

limity modelovania

Pozitívom je, že simulácia pracuje so širokým rozsahom teplôt – stačí dostatok tepla na to, aby sa planéta topila, kým tu opísané procesy dosiahnu rovnováhu. Funguje aj pre rôzne veľkosti prekurzorov, ale zlyhá, ak je prekurzor príliš malý. To zodpovedá extrémnej suchosti Marsu a Merkúra. Primárna premenná končí množstvom vyrobenej vody; Ak by v jadre skončilo viac vodíka, ľahko by z toho mohol vzniknúť vodný svet trikrát väčší ako dnešné oceány.

Zatiaľ čo model je odolný voči mnohým zmenám počiatočných podmienok, je obmedzený tým, že nie je úplným obrazom chémie ranej Zeme. Stojí za zmienku, že síra a dusík zohrali hlavnú úlohu v chémii Zeme.

Ale veľká medzera v modeli je to, čo sa stane po vytvorení vody. Pretože existuje oceán magmy, skončí v atmosfére, kde sa môže odštiepiť slnečným žiarením a stratiť, ak sa vodík v slnečnej sústave skutočne rozptýli. To isté platí o akýchkoľvek následných účinkoch, ktoré zohriali planétu, ako je napríklad obrovský náraz, ktorý sformoval Mesiac. Ak je ešte dostatok vodíka, nie je to problém, pretože voda to dokáže opraviť. Vedci citujú výskum, ktorý ukazuje, že atmosféra bohatá na vodu by mohla prežiť aj masívny náraz. Nakoniec si viete predstaviť podmienky, v ktorých sa vyrábal počiatočný prebytok vody, ale týmito procesmi sa stratilo dosť na to, aby Zem zostala v jej súčasnom stave.

Takže zatiaľ čo výroba vody nevyžaduje žiadne jemné dolaďovanie podmienok, jej zadržiavanie áno.

Ale dôsledky pre svety mimo nášho vlastného sa zdajú o niečo väčšie. Tieto výsledky naznačujú, že množstvo počiatočných podmienok muselo produkovať vodu počas formovania kamenných planét. Preto, keď uvažujeme o planétach v exosystémoch, môže byť otáznejšie opýtať sa, či zažili podmienky, ktoré by im spôsobili stratu vody, než sa pýtať, či vôbec nejakú mohli mať.

Príroda, 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-05823-0 (o DOI).