Недра ранней и горячей Земли сохранили для нас воду — как такое возможно?

Вода не только неразрывно связана с возникновением земной жизни, но и обеспечила условия для её эволюции. Ведь около трёх миллиардов лет жизнь существовала и развивалась исключительно в океанах, которых не было бы, не будь на планете более или менее стабильного климата. Кроме того, даже небольшие количества воды в недрах Земли размягчают горные породы — необходимое условие для тектоники плит, которая в свою очередь ответственна за форму континентов и океанов, землетрясения и вулканическую активность — всё то, что определило облик нашей Земли. Несмотря на столь большую роль воды в эволюции живого и неживого на Земле, до сих пор не совсем понятно, откуда на Земле столько воды.

В первые несколько десятков миллионов лет развития Земли на её поверхности не было места для жидкой воды. Илл.: Bennu's Journey, nasa.gov

По одной гипотезе, воду могли занести к нам кометы, однако изотопный состав земной и кометной воды разный. Другая гипотеза говорит, что вода высвободилась из земных недр. Но тогда возникает вопрос, как первобытный океан смог пережить бурные первые десятки миллионов лет в истории Земли, когда она была раскалена, подвергалась массированной бомбардировке астероидами и даже столкнулась с древней протопланетой. Все эти катаклизмы должны были расплавить верхние несколько сот километров земной коры и навсегда испарить воду с поверхности планеты.

Но если вода всё-таки спряталась где-то в глубине Земли, должно существовать химическое вещество, способное подолгу удерживать молекулы воды при высокой температуре и колоссальном давлении миллионы лет. И потом высвободить её в более спокойную эпоху.

Как пишут в журнале Physical Review Letters исследователи из Нанькайского университета Сяо Дуна вместе с коллегами из Сколтеха, на роль такого соединения подходит гидросиликат магния Mg₂SiO₅H₂. Он содержит 11% воды по массе и стабилен при давлении более 2 млн атмосфер и крайне высоких температурах — как раз таких, как в ядре Земли. Но тут возникает следующий логичный вопрос. В центре Земли, как мы знаем, находится металлический шар, состоящий в основном из железа, и никаким гидросиликатом магния там не пахнет. Так куда тогда податься воде?

Как рассказывает один из авторов работы, профессор Артём Оганов, на начальном этапе существования Земли у неё могло не быть никакого сформированного ядра. Химический состав молодой планеты был однородным от поверхности до самых глубин. Понадобилось порядка 30 млн лет, чтобы железо сконцентрировалось в центре Земли, образовав ядро и вытеснив оттуда силикаты в мантию. Если это верно, то на протяжении первых 30 млн лет, во время наиболее катастрофической фазы астероидной бомбардировки, часть земной воды была надёжно спрятана на глубине нынешнего ядра в виде гидросиликатов. А когда закончился процесс формирования ядра, гидросиликаты были вытеснены из центральной области планеты в зону более низкого давления, где они оказались нестабильны и подверглись распаду. Так образовались оксид и силикат магния — из них сейчас состоит мантия — и вода, постепенный подъём которой на поверхность занял ещё около 100 млн лет.

Новая гипотеза происхождения, а точнее сохранения земной воды даёт новый взгляд на судьбу воды на других планетах. Например, Марс — он меньше Земли, поэтому давление внутри его ядра меньше и гидросиликат магния в нём неустойчив. У воды не было возможности «пересидеть» бомбардировку в безопасном месте, поэтому на Марсе так мало воды, а существующую сейчас воду, возможно, занесли как раз кометы. А что на экзопланетах? Внутри массивных планет земного типа — так называемых суперземлях — высокое давление, стабилизирующее гидросиликат магния, существует за пределами ядра. Поэтому их недра теоретически способны удерживать ещё большие объёмы воды, чем Земля. И, возможно, условия для эволюции жизни на них не менее благоприятные, чем на нашей планете.

По материалам пресс-службы Сколтеха.