Научно-популярный журнал, издается с 1926 года

О теории первоначального существования воды в недрах Земли

О теории первоначального существования воды в недрах Земли

Комментарии Веры Алексеевны Дорофеевой, доктора химических наук, профессора, ведущего научного сотрудника Института геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского РАН, по поводу появившихся 13 ноября сообщений в прессе под заголовками: «Исследование: часть воды оказалась на молодой Земле еще на этапе ее формирования», «Геологи из Шотландии объяснили, как подтвердилась теория первоначального существования воды в недрах Земли» и т.п., основанные на выводах статьи Lydia J. Hallis, Gary R. Huss, et al., Evidence for primordial water in Earthdeep mantleSCIENCENOVEMBER 2015 • VOL 350 ISSUE 6262

Прежде всего, необходимо сделать несколько пояснений.

1. Когда речь идет о сравнении источников воды на различных космических телах, пользуются характеристикой, которая практически не меняется с течением всего времени существования Солнечной системы (за исключение Солнца), т.е. ≈4.6 миллиарда лет. Это – значение отношения двух изотопов водорода – дейтерия (D) с атомной массой 2 (его также называют тяжелым водородом) и водорода (Н) с атомной массой 1 (легкого водорода): D/H. Для океанической воды Земли официально был принят стандарт значения D/H= 1.56х10-4; он обозначается как SMOW. Помимо абсолютного значения D/Hв геологии часто пользуются относительными значениями (относительно SMOW), которые обозначаются как dD.

2. Наша Солнечная система (как и любая другая звездная система в Галактике) образовалась из фрагмента газопылевого облака (называемого протосолнечной небулой), который состоял на 97% из водорода (Н2) и гелия (Не) (в соотношении 10:1) и 3% пыли, строение пылевой частицы схематично показано на рис. 1. Объединяясь при столкновении, эти частицы образовывали агрегаты, но как видно из рис. 2, они имели очень небольшие размеры – всего десятки микрон.


Рис.1. Схематичное изображение строения и состава межзвездной пылевой частицы.


Рис. 2. Агрегат межзвездных пылевых частиц, найденных в кометном веществе.

В силу разных путей образования молекул водорода (Н2) и воды (Н2О), изотопный состав водорода в них в протосолнечной небуле был разный. Но из-за технических трудностей пока достаточно точно удалось померить только D/H в газообразной молекуле водорода: D/HН2  ≈2х10-5. Для молекулы воды есть только оценки D/HН2О ≈2х10-3.

3. Попав в околосолнечный газопылевой диск, в котором образовались все тела Солнечной системы, и температура в котором выше окружающей, (его схематичное изображение показано на рис.3), эти частицы либо полностью испарялись (в областях близких к Солнцу), либо испарялись частично – в дальних регионах диска, где сейчас находятся планеты Уран и Нептун, испарялись только газы из внешней оболочки, а во внутренних областях вплоть до радиальных расстояний Юпитера и Сатурна, испарялась еще и ледяная мантия, т.е. лед переходил в пар (на рис 3. внешняя граница испарения льда Н2О показана голубой линией и надписью: «150К, snowline»). Когда формировались внутренние каменные планеты, в том числе и наша Земля, температуры в диске оставались настолько высокими (> 150K), что водяной пар не мог сконденсироваться, т.е. вода не могла войти в состав этих образующихся планет.


Рис. 3. Физическая и химическая структура околосолнечного газопылевого диска © American ChemicalSociety

4. В научной литературе существовали две основные гипотезы происхождения воды на Земле. Сначала популярной была гипотеза кометного происхождения воды, поскольку воды в Земле по массе очень немного, ~ 1-2%, а кометы, хотя и очень небольшие тела (~ нескольких километров), но они на 50 мас.% состоят изо льда воды. Так что теоретически их было бы надо немного, чтобы снабдить Землю необходимым количеством воды. Но когда методы спектроскопии позволили измерить D/HН2О в комах нескольких комет (эти измерения проводятся, начиная с 1995 г.), то оказалось, что его значение в 2-2.5 раз выше земного (SMOW). Итаких комет сейчас мы теперьзнаем уже 9.

Тогда более актуальна стала гипотеза астероидного происхождения воды, согласно которой, вода на планеты земной группы поступила не из дальних регионов Солнечной системы, откуда к нам приходят кометы, а из относительно близкого, так называемого, астероидного пояса. Он расположен между орбитами Марса и Юпитера, тела, его составляющие, – астероиды, являются родительскими телами метеоритов, некоторые из которых попадают на Землю, где тщательно изучаются. Среди разных классов метеоритов (и следовательно, астероидов) существует, так называемый, класс углистых хондритов, которые содержит до 20-25 вес.% воды, причем, что очень важно, изотопный состав ее эквивалентен земному. Хочу отметить, что сейчас самый большой астероид этого класса – Церера подробно изучается космическим аппаратом NASA «Dawn».

«Астероидная» теория просуществовала до 2011 г., когда относительно близко от Земли пролетела комета 103P/Hartly 2. Измерив ее D/HН2О, ученые были поражены, поскольку оно оказалось практически равным земному. Вскоре аналогичные значения были получены для еще одной кометы – 45P/Honda-Mrkos-Pajdusakova.

Теперь многие, в том числе и я, считают, что вода на Земле была »на 80% доставлена астероидным веществом, а »на 20% кометным, и для этого есть очень много аргументов, которые в кратком комментарии изложить трудно.

Отметим, что с осени 2014 года и по настоящее время космический аппарат «Розетта» Европейского космического агентства исследует комету 67Р/Чурюмова-Герасименко. Очень много интересных данных уже получено, а поскольку программа продлится еще около года, то получим и еще.

А теперь посмотрите, как замечательно выглядят кометы в период их активности!


Рис. 4. Комета 103P/Hartly 2. Длина ~ 2 км, ширина 0.6 км.


Рис. 5. Комета 67Р/Чурюмова-Герасименко, размеры 4.5х
3.4 км.

Самый большой астероид в Солнечной системе – Церера (рис. 6), ее еще иногда называют карликовой планетой: D ~ 1000км, r ≈2.1 г/см3 – предположительное содержание воды от 17% до 27 мас.%. Осколки таких же по составу астероидов и принесли на нашу Землю основную часть воды. Церера стала четвертым космическим телом, после Земли, Энцелада и Европы (рис. 7, 8), на котором зафиксирована водная активность.

Церера
Рис. 6. Астероид Церера.

Энцелад
Рис. 7. Спутник Сатурна Энцелад.

Европа спутник Юпитера
Рис. 8. Спутник Юпитера Европа.

Сделав эти пояснения, теперь я могу объяснить, почему, с моей точки зрения, выводы, сделанные в статье Hallis, Huss, et al., и восторженные комментарии в прессе, которые вызвали у Вас интерес, беспочвенны.

Дело в том, что наряду с двумя гипотезами происхождения воды на Земле, которые описаны выше, существует и третья, которую можно отнести к маргинальным. Ее главное положение состоит в следующем: вода вошла в состав Земли в момент ее образования вместе с железосиликатной пылью, в порах которой могли сорбироваться молекулы воды. В дальнейшем эта вода испарялась из глубин планеты, при этом некоторая ее часть образовала мировой океан.

Можно привести массу физических и космохимических аргументов против, но основной состоит в следующем: если бы вода вошла в состав Земли изначально, то при разогреве планеты за счет энергии долгоживущих радиоактивных изотопов вода неизбежно должна была прореагировать с металлическим железом и серой, окислив их. В этом случае металлического ядра Земли просто не было бы. А то, что оно есть, можно убедиться хотя бы потому факту, что у Земли есть магнитное поле, предохраняющее нас от жестких ультрафиолетовых лучей Солнца, которые разрушают молекулы белка.

Кроме того, в указанной статье есть грубые космохимические ошибки, типа, что состав Земли и состав углистых хондритов идентичны, перепутан изотопный состав молекул водорода и воды в протосолнечной небуле и т.п.

Есть еще одна маргинальная гипотеза происхождения воды на Земле. Ее апологеты считают, что вода вместе с другими элементами и их соединениями образовывалась либо в фотосфере Солнца, либо непосредственно в солнечном ветре, который нам на Землю эту воду и принес. Здесь в качестве аргументации против этой теории можно использовать изотопные данные водорода солнечного ветра, которые изменяются во времени по мере реакции ядерного синтеза гелия из водорода (это основной источник энергии звезд), но при этом в первую очередь выгорает дейтерий. Так что получить значение D/H = SMOW опять не удается.

Если проблема происхождения воды на Земле, Луне и других объектах Солнечной системы Вас интересует, приходите 10 декабря в Музей космонавтики (около ВДНХ), я там буду читать научно-популярную лекцию на эту тему. А еще лучше, приходите в наш институт, в музей внеземного вещества. Здесь Вы увидите разные типы метеоритов, анализ которых помог ученым расшифровать основные процессы образования Земли, а также увидите лунный грунт, который также хранится у нас.

Reset password

Recover your password
A password will be e-mailed to you.
Back to
Закрыть панель