Войти
Вода покрывает около 71% поверхности Земли происхождение воды на Земле является предметом ряда исследований в областях планетологии, астрономии и астробиологии. Земля уникальна среди каменистых планет в Солнечной системе тем, что это единственная известная планета, на которой океаны жидкости вода на его поверхности. Жидкая вода, которая необходима для жизни в том виде, в каком мы ее знаем, продолжает существовать на поверхности Земли, потому что планета находится на некотором расстоянии, известном как обитаемая зона, достаточно далеко от Солнца, что он не теряет воду из-за безудержного парникового эффекта, но не настолько, чтобы низкие температуры заставляли всю воду на планете замерзать.
Долгое время считалось, что вода на Земле не происходит из области планеты протопланетного диска. Вместо этого предполагалось, что вода и другие летучие должны быть доставлены на Землю из внешних источников Солнечной системы позже в ее истории. Однако недавние исследования показывают, что водород внутри Земли сыграл роль в формировании океана. Эти две идеи не исключают друг друга, поскольку есть также свидетельства того, что вода была доставлена на Землю в результате ударов ледяных планетезималей, аналогичных по составу астероидам на внешних краях астероида . пояс.
Одним из факторов при оценке появления воды на Земле является то, что вода постоянно теряется в космосе. Молекулы H 2 O в атмосфере расщепляются в результате фотолиза, и образующиеся свободные атомы водорода иногда могут ускользать от гравитационного притяжения Земли (см.: Атмосферное escape ). Когда Земля была моложе и менее массивной, вода легче терялась бы в космосе. Ожидается, что более легкие элементы, такие как водород и гелий, будут постоянно вытекать из атмосферы, но изотопные отношения более тяжелых благородных газов в современной атмосфере предполагают, что даже более тяжелые элементы в ранней атмосфере понесли значительные потери. В частности, ксенон полезен для расчета потери воды с течением времени. Это не только благородный газ (и, следовательно, не удаляется из атмосферы в результате химических реакций с другими элементами), но и сравнение содержания его девяти стабильных изотопов в современной атмосфере показывает, что Земля потеряла по крайней мере один океан воды на раннем этапе. его история, между хадейской и аркейской эрой.
Любая вода на Земле во время более поздней части ее аккреции была бы нарушена Луной. образовавшийся удар (~ 4,5 миллиарда лет назад), который, вероятно, испарил большую часть земной коры и верхнюю мантию и создал атмосферу из каменного пара вокруг молодой планеты. Пар горных пород должен был конденсироваться в течение двух тысяч лет, оставляя горячие летучие вещества, что, вероятно, привело к образованию большей части атмосферы углекислого газа с водородом и водяным паром. Впоследствии жидкие водные океаны могли существовать, несмотря на температуру поверхности 230 ° C (446 ° F) из-за повышенного атмосферного давления в атмосфере CO 2. По мере продолжения охлаждения большая часть CO 2 была удалена из атмосферы в результате субдукции и растворения в океанской воде, но уровни сильно колебались по мере появления новых циклов на поверхности и мантии.
Эта подушечка из базальта на морском дне недалеко от Гавайев образовалась, когда магма вытеснила под водой. Другие, гораздо более древние образования подушечного базальта свидетельствуют о существовании больших водоемов давным-давно в истории Земли. Есть также геологические данные, которые помогают ограничить временные рамки существования жидкой воды на Земле. Образец подушечного базальта (типа породы, образовавшейся во время подводного извержения) был извлечен из зеленокаменного пояса Исуа и является свидетельством того, что вода существовала на Земле 3,8 миллиарда лет назад. В Зеленокаменном поясе Нуввуагиттук, Квебек, Канада, породы, возраст которых составляет 3,8 миллиарда лет по одному исследованию и 4,28 миллиарда лет по другому, свидетельствуют о наличии воды в этом возрасте. Если океаны существовали раньше, то какие-либо геологические свидетельства либо еще не обнаружены, либо с тех пор были уничтожены геологическими процессами, такими как переработка земной коры. Совсем недавно, в августе 2020 года, исследователи сообщили, что на Земле всегда было достаточно воды, чтобы заполнить океаны с самого начала формирования планеты.
В отличие от горных пород, минералы под названием цирконы обладают высокой устойчивостью к погодным условиям и геологическим процессам и поэтому используются для понимания условий на очень ранней Земле. Минералогические данные по цирконам показали, что жидкая вода и атмосфера должны были существовать 4,404 ± 0,008 миллиарда лет назад, очень скоро после образования Земли. Это представляет собой своего рода парадокс, поскольку гипотеза холодной ранней Земли предполагает, что температуры были достаточно низкими, чтобы заморозить воду примерно между 4,4 и 4,0 миллиардами лет назад. Другие исследования цирконов, найденных в австралийских хадейских породах, указывают на существование тектоники плит еще 4 миллиарда лет назад. Если это правда, это означает, что поверхность Земли на ранних этапах не была горячей, расплавленной и атмосферой, полной углекислого газа. Она была такой же, как сегодня. Действие тектоники плит улавливает огромное количество CO 2, тем самым уменьшая парниковый эффект и приводя к гораздо более низкой температуре поверхности и образованию твердой породы и жидкой воды.
Хотя большая часть поверхности Земли покрыта океанами, эти океаны составляют лишь небольшую часть массы планеты. Масса океанов Земли оценивается в 1,37 × 10 кг, что составляет 0,023% от общей массы Земли, 6,0 × 10 кг. Еще 0,5 × 10 кг воды, по оценкам, присутствует во льду, озерах, реках, грунтовых водах и водяном паре атмосферы. Значительное количество воды также хранится в земной коре , мантии и ядре. В отличие от молекулярного H 2 O, который находится на поверхности, вода внутри существует в основном в гидратированных минералах или в виде следовых количеств водорода, связанных с атомами кислорода в безводные минералы. Гидратированные силикаты на поверхности переносят воду в мантию на границах конвергентных плит, где океаническая кора субдуцируется под континентальной корой. Хотя трудно оценить общее содержание воды в мантии из-за ограниченного количества образцов, там может храниться масса, примерно в три раза превышающая массу океанов Земли. Точно так же ядро Земли может содержать от четырех до пяти океанов водорода.
Вода имеет гораздо более низкую температуру конденсации чем другие материалы, из которых состоят планеты земной группы в Солнечной системе, такие как железо и силикаты. Область протопланетного диска , ближайшая к Солнцу, была очень горячей в начале истории Солнечной системы, и невозможно, чтобы океаны воды конденсировались вместе с Землей по мере ее образования. Дальше от молодого Солнца, где температура была ниже, вода могла конденсироваться и образовывать ледяные планетезимали. Граница области, где лед мог образовываться в ранней Солнечной системе, известна как линия замерзания (или линия снега) и расположена в современном поясе астероидов, примерно между 2,7 и 3,1 астрономическим значением. единицы (а.е.) от Солнца. Поэтому необходимо, чтобы объекты, образующиеся за линией инея, такие как кометы, транснептуновые объекты и богатые водой метеороиды (протопланеты), доставляли воду. на Землю. Однако сроки этой доставки все еще остаются под вопросом.
Одна теория утверждает, что Земля аккрецировалась (постепенно увеличивалась за счет накопления) ледяных планетезималей около 4,5 миллиарда лет назад, когда она составляла от 60 до 90% своего нынешнего размера. В этом сценарии Земля смогла удерживать воду в той или иной форме во время аккреции и крупных столкновений. Эта гипотеза подтверждается сходством содержания и изотопных соотношений воды между самыми древними из известных углеродистых хондритов метеоритов и метеоритами из Весты, оба из которых происходят из пояс астероидов Солнечной системы. Это также подтверждается исследованиями изотопных соотношений осмия, которые предполагают, что значительное количество воды содержалось в материале, который Земля аккрецировала на раннем этапе. Измерения химического состава лунных образцов, собранных с помощью миссий Аполлон 15 и 17, дополнительно подтверждают это и указывают на то, что вода уже присутствовала на Земле до образования Луны.
Одна из проблем этой гипотезы заключается в том, что соотношение изотопов благородного газа в атмосфере Земли отличается от соотношения изотопов ее мантии, что позволяет предположить, что они образовались из разных источников. Чтобы объяснить это наблюдение, была предложена так называемая теория «поздней облицовки», согласно которой вода поступала намного позже в истории Земли, после лунного удара. Однако нынешнее понимание образования Земли допускает аккрецию менее 1% материала Земли после образования Луны, подразумевая, что материал, образовавшийся позже, должен был быть очень богатым водой. Модели ранней динамики Солнечной системы показали, что ледяные астероиды могли быть доставлены во внутренние области Солнечной системы (включая Землю) в течение этого периода, если бы Юпитер переместился ближе к Солнцу.
Еще третья гипотеза, подтвержденная свидетельствами из соотношение изотопов молибдена предполагает, что Земля получила большую часть своей воды в результате того же межпланетного столкновения, которое вызвало образование Луны.
Углеродистые хондриты, такие как метеорит Альенде (см. Выше), вероятно, доставили большую часть воды на Землю, о чем свидетельствует их изотопное сходство с водой океана. Изотопные отношения дают уникальный «химический отпечаток пальца», который используется для сравнения Вода Земли с резервуарами в других частях Солнечной системы. Одно из таких изотопных соотношений, отношение дейтерия к водороду (D / H), особенно полезно при поиске происхождения воды на Земле. Водород является наиболее распространенным элементом во Вселенной, и его более тяжелый изотоп, дейтерий, иногда может заменять атом водорода в таких молекулах, как H 2 O. Большая часть дейтерия образовалась в результате Большого взрыва или сверхновых, поэтому его неравномерное распределение по всей протосолнечной туманности было эффективно «заблокировано» на ранних этапах формирования Солнечной системы. Изучая различные соотношения изотопов Земли и других ледяных тел Солнечной системы, можно выяснить вероятное происхождение воды на Земле.
Отношение дейтерия к водороду в океанской воде на Земле очень точно известно как (1,5576 ± 0,0005) × 10. Это значение представляет собой смесь всех источников, которые способствовали Резервуары Земли, и используется для определения источника или источников воды на Земле. Отношение дейтерия к водороду могло увеличиваться за время жизни Земли, поскольку более легкий изотоп с большей вероятностью просочится в космос в процессах атмосферных потерь. Однако не известно ни одного процесса, который мог бы со временем уменьшить отношение D / H Земли. Эта потеря более легкого изотопа является одним из объяснений того, почему Венера имеет такое высокое соотношение D / H, поскольку вода этой планеты испарилась во время неуправляемого парникового эффекта и впоследствии потеряла большую часть своего водорода в космос. Поскольку соотношение D / H на Земле со временем значительно увеличилось, соотношение D / H воды, первоначально доставленной на планету, было ниже, чем в настоящее время. Это соответствует сценарию, в котором значительная часть воды на Земле уже присутствовала на ранней стадии эволюции планеты.
Комета Галлея, полученная зондом Джотто Европейского космического агентства в 1986 году. Джотто пролетел на комете Галлея и проанализировал изотопные уровни льда, сублимирующего с поверхности кометы, с помощью масс-спектрометра. Многочисленные геохимические исследования пришли к выводу, что астероиды, скорее всего, являются основным источником воды на Земле. Углеродистые хондриты - которые являются подклассом самых старых метеоритов в Солнечной системе - имеют изотопные уровни, наиболее похожие на океанскую воду. Подклассы углеродистых хондритов CI и CM имеют специфические уровни изотопов водорода и азота, которые близко соответствуют морской воде Земли, что предполагает, что вода в этих метеоритах может быть источником океанов Земли. Обнаруженные на Земле два метеорита возрастом 4,5 миллиарда лет, содержащие жидкую воду наряду с широким спектром органических соединений с низким содержанием дейтерия, также подтверждают это. Текущее отношение дейтерия к водороду Земли также соответствует древним эвкритовым хондритам, которые происходят от астероида Веста во внешнем поясе астероидов. Считается, что хондриты CI, CM и эвкрита имеют такое же содержание воды и изотопное соотношение, что и древние ледяные протопланеты из внешнего пояса астероидов, которые позже доставляли воду на Землю.
Кометы - это тела размером с километр, состоящие из пыли и льда, которые происходят из пояса Койпера (20-50 а.е.) и Облака Оорта (>5000 а.е.), но имеют высокоэллиптические орбиты, по которым они попадают внутрь Солнечной системы. Их ледяной состав и траектории, по которым они попадают во внутреннюю часть Солнечной системы, делают их мишенью для удаленных и натурных измерений отношения D / H.
Невероятно, чтобы вода на Земле образовалась только из комет, поскольку изотопные измерения отношения дейтерия к водороду (D / H) в кометах Галлея, Хиякутаке, Хейла – Боппа, 2002T7 и Таттл дают значения примерно вдвое больше, чем у океанической воды. Используя это соотношение D / H комет, модели предсказывают, что менее 10% воды на Земле поступало от комет.
Другие, более короткопериодические кометы (<20 years) called Jupiter family comets likely originate from the Kuiper belt, but have had their orbital paths influenced by gravitational interactions with Jupiter or Neptune.67P / Чурюмов – Герасименко - одна из таких комет. это было предметом изотопных измерений с помощью космического корабля Rosetta, который обнаружил, что у кометы отношение D / H в три раза больше, чем у морской воды Земли. Другая комета семейства Юпитера, 103P / Hartley 2 имеет отношение D / H, которое соответствует морской воде Земли, но уровни изотопов азота не соответствуют земным.
Дополнительные данные из Университета Мюнстера с 2019 года показывает, что изотопный состав молибдена в ядре Земли происходит из внешней Солнечной системы, вероятно, принес воду на Землю. Их объяснение состоит в том, что Theia, планета заявила в гипотезе гигантского удара столкнулся с Землей 4,5 миллиарда лет назад, образовав Луну, возможно, возник во внешней Солнечной системе, а не в Внутренняя часть Солнечной системы, приносящая с собой воду и углеродные материалы.
