Почему Земля такая сухая?

Земля — очень странное место, не правда ли? С одной стороны, она по большей части покрыта водой, с другой — воды здесь менее 1% от общей массы планеты. Да и ту свежайшие исследования напрямую связывают с поздней кометной бомбардировкой. Даже на Европе, размером больше похожей на Луну, воды в океанах, предположительно, вдвое больше, чем в земных морях. Как же так получилось?

Стандартная модель образования нашей планеты из протопланетного диска Солнечной системы предполагала, что Земля находилась за пределами «снежной линии», во внешней части диска, насыщенной водным льдом. Но по этой модели выходило, что планета должна была быть водным миром, этаким Солярисом. Новое исследование, проведённое Ребеккой Мартин и Марио Ливио из Научного института космического телескопа в Балтиморе (США), возможно, обнаружило причины этого странного противоречия.

«Снежная линия» в нынешней Солнечной системе пролегает в районе пояса астероидов. Здесь солнечное излучение в пять-шесть раз слабее, чем около Земли, и уже не способно испарить водный лёд с поверхности небесных тел. Однако длительное время предполагалось, что до рассеивания протопланетного облака «снежная линия» должна была быть много ближе к Солнцу. И дело даже не в том, что газ облака должен был рассеивать излучение светила, а, в первую очередь, в том, что молодое Солнце, предположительно, было существенно (на 20–30%) слабее нынешнего, то есть «снеговая линия» просто обязана находиться на существенно меньшем удалении от звезды, чем сегодня.

И тем менее анализ, проведённый Ребеккой Мартин, основывается на гипотезе о том, что «линия снегов» в Солнечной системе никогда не перемещалась сколько-нибудь значительно, всегда находясь не далее 1,5–2 а. е. от Солнца.

Стандартная модель формирования Земли предполагает, что «снеговая линия» некогда была гораздо ближе к Солнцу. (Здесь и ниже иллюстрации NASA, ESA, A. Feild, STScI).

Не только Земля, но и Венера, Марс и Меркурий никогда не попадали за пределы «снеговой линии», что и является причиной очень малого количества воды в их составе. Что же позволяет делать столь неожиданный вывод? В стандартной модели планетообразования 4,5–4,6 млрд лет назад газопылевой диск вокруг Солнца был полностью ионизирован и часть его вещества постоянно падала на Солнце (как в аккреционном диске), увеличивая постепенно его массу и существенно разогревая сам диск. В этот момент он так нагрет, что «снеговая линия» находится на огромном удалении от светила — возможно, до 1,6 млрд км (более десятка а. е.) Но со временем, когда диск начинает рассасываться, процесс падения вещества на Солнце прекращается и разогрев диска, вызванный движением газа, падает почти до нуля. Это, по мысли учёных, позволило «снеговой линии» продвинуться вперёд, став ближе Земли к Солнцу. Лишь после полного рассасывания протопланетного облака «снеговая линия» вновь смещается в район пояса астероидов.

Проблема этой стандартной модели в том, что четыре с лишним миллиарда лет назад Солнце было слишком слабым, чтобы полностью ионизировать газопылевой диск своим излучением. Но если он не был ионизирован полностью, то его сравнение с поведением аккреционного диска вокруг сильно светящихся источников некорректно: неионизированный газ не будет падать на поверхность Солнца. Согласно моделированию, получается, что в действительности вокруг звезды образовалась «мёртвая зона» на расстояниях от 0,1 до нескольких а. е. При попадании в неё вещества снаружи оно там и оставалось, не приближаясь к Солнцу далее границы «мёртвой зоны». Постепенно удельная плотность вещества росла (за счёт его накопления), после чего началась гравитационная по своей природе концентрация газопылевого материала в протопланетные образования (планетезимали). В процессе такого сжатия материя в «мёртвой зоне» существенно нагрелась, и водный лёд в ней начал интенсивно испаряться. А поскольку в ней находилась и Земля, то большей части своей первоначальной воды она лишилась ещё на стадии планетезималей.

По предложенной модели, Меркурий, Венера, Земля и Марс потеряли свою воду из-за нагрева при планетообразовании, и почти вся наша вода является кометной.

Что из этого следует? Во-первых, это объясняет недавние результаты, согласно которым в хондритах (сложивших, как считается, планету) не та вода, которая доминирует на Земле (разное содержание изотопов дейтерия), а та, что есть в кометах и на астероидах. Во-вторых, получается, что первоначально Земля была крайне сухой, на уровне нынешней Венеры, и лишь затем приобрела то небольшое количество воды, которое мы имеем сегодня. Иными словами, все наблюдаемые глазом биологические существа (состоящие по большей части из воды) обязаны своим происхождением неземному материалу, прибывшему к нам в результате своего рода естественного терраформирования.

Результаты исследования, принятого к публикации в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, наверняка вызовут дискуссию. Не секрет, что старейшие датированные породы возрастом в 4,3–4,4 млрд лет содержат следы значительного по земным меркам (примерно современного) количества воды. В то же время в рамках предложенной астрономами из Института космического телескопа модели такое количество просто не могло находиться на планете до начала поздней тяжёлой бомбардировки.

Подготовлено по материалам Научного института космического телескопа.