Как на земле появилась вода? Океан внутри планеты. Земное происхождение воды Возникновение воды на земле

МОСКВА, 12 янв - РИА Новости . Древнейшие породы Земли с канадского острова в Арктике рассказали ученым о том, что вода нашей планеты существовала на ее поверхности изначально, а не была принесена кометами или астероидами, говорится в статье, опубликованной в журнале Science .

"Мы обнаружили, что молекулы воды в образцах этих пород содержали в себе мало атомов дейтерия, тяжелого водорода. Это говорит о том, что она попала на Землю не после того, как она сформировалась и охладилась, а вместе с пылью, из которой была слеплена наша планета. Большая часть воды в этой пыли испарилась, но ее остатков хватило для формирования океанов Земли", — заявила Лидия Халлис (Lydia Hallis) из университета Глазго (Шотландия).

Сегодня планетологи считают, что воды Земли носят "космическое" происхождение. Их источником, по мнению половины из них, являются кометы, тогда как другие астрономы считают, что водные запасы нашей планеты были "завезены" на нее астероидами.
Халлис и ее коллеги показали, что на самом деле океаны нашей планеты могут быть заполнены ее собственной водой, изучив образцы древнейших базальтов Земли, найденные на территории канадской земли Баффина в 1985 году.

Эти фрагменты мантии Земли, как объясняет геолог, содержат в себе так называемые инклюзии — небольшие шарики из кристаллов тугоплавких пород, сформировавшиеся на заре жизни Солнечной системы, около 4,5-4,4 миллиарда лет назад. Благодаря тому, что они никогда не покидали недр Земли и не смешивались с породами земной коры, они содержат в себе первичную материю нашей планеты.

Группа Халлис решила воспользоваться этим фактом для того, чтобы изучить изотопный состав воды, содержащейся в этих включениях, и сравнить его с теми значениями в долях изотопов водорода, которые характерны для вод Земли сегодня и для астероидов и комет.

Как оказалось, первичные породы Земли содержали в себе необычно мало дейтерия, тяжелого водорода, заметно меньше, чем содержится в водах современных океанов и в материи малых небесных тел. Это говорит о том, что источником воды была первичная материя газопылевого диска, из которого родилась Земля и все остальные обитатели Солнечной системы.

Почему это так? Изначально, как объясняет Халлис, первичная материя Солнечной системы содержала в себе крайне мало дейтерия. Дейтерий тяжелее, чем "обычный" водород, и поэтому его атомы гораздо медленнее испаряются в космос с поверхности Земли или других небесных тел, чем простые протоны. Поэтому чем больше времени вода проводит в открытом пространстве, тем меньше в ней будет дейтерия. Это и объясняет то, почему малое количество дейтерия в воде в образцах этих пород говорит о "земном" происхождении воды в океанах нашей планеты.

Сегодня крайне мало ученых считают, что вода и большая часть газов в атмосфере Земли могла возникнуть на нашей планете "самостоятельно". Это объясняется тем, что Земля находится в так называемой горячей части протопланетного диска, где водяной лед и прочие замороженные летучие вещества постепенно разрушались под действием ультрафиолета и других лучей новорожденного Солнца.

С другой стороны, в последние годы планетологи нашли множество свидетельств и теоретических доказательств в пользу того, что Земля и некоторые другие землеподобные планеты Солнечной системы могли сформироваться в более далекой и холодной части протопланетного диска, а затем были "согнаны" со своего места на современные орбиты Юпитером и Сатурном. Открытие Халлис и ее коллег может быть еще одним аргументом в пользу этой "миграционной" теории.

Землю часто называют «Голубой планетой» и не только из-за состава атмосферы, который придает планете нежный голубоватый оттенок, но и благодаря океанам, покрывающим более 70% земной поверхности. Именно в океанах появилась жизнь и поэтому ученых занимает вопрос, когда и как появилась вода на Земле.

Ранее считалось, что океаны сформировались на нашей планете, когда та уже была достаточно «взрослой», но последние исследования, проведенные в Океанографическом институте Вудс-Холл (США) доказывают, вода на Земле были всегда.

Согласно существовавшей ранее теории планеты формируются сухими, так как их образование связано с высокоэнергичными и ударными процессами. Если на «юных» планетах и есть водные молекулы, то они испаряются, пока планета не завершит стадию образования. Вода на планетарные тела попадает уже после окончания их формирования, после падения комет и «мокрых» астероидов, состоящих их замороженной воды и газов. По этой теории, вся вода, существующая на Земле сегодня, попала на планету спустя миллионы лет после ее рождения.

В своих исследованиях ученые из института Вудс-Холл, обратились к углистым хондритам, которые также являются потенциальным источником планетарной воды. Самые простые метеориты из этого вещества были образованы в потоке пыли, льда и газов, породивших Солнце, задолго до появления других тем нашей звездной системы.

По словам сотрудника Вудс-Холл Суне Нильсена, именно углисто-хондритовые метеориты являются самыми распространенными объектами в Солнечной системе. В них содержится достаточно большое количество водных молекул и ранее они считались главным источником появления воды на нашей планете.

Чтобы выяснить, когда и как появилась вода на Земле, ученые измерили соотношение стабильных изотопов водорода, обычного с одним нейтроном и дейтерия с двумя. В различных областях нашей звездной системы они это соотношение различается. Далее исследователи пришли к выводу, что сравнение соотношения углистых хондритов в объекте, сформировавшемся одновременно с нашей планетой, может помочь ответить на вопрос когда и как появилась вода на Земле.

Астероиды 4-Веста был сформированы в том же районе, что и Земля и одновременно с ней. Их покрывает базальтовый слой застывшей лавы. Эти небесные тела являются древнейшими резервуарами водорода в нашей системе, так как появились спустя 14 миллионов лет после рождения Солнечной системы. В это время наша планета была на стадии своего формирования. Благодаря, всем этим характеристикам 4-Веста, стали идеальными объектами определения того, как появилась вода на Земле и когда.

Проанализировав собранные НАСА образцы, ученые пришли к выводу:в них такое же соотношение изотопов водорода и азота, что и в углистых хондритах, и в составе Земли. Это делает их самым вероятным источником водных молекул в Солнечной системе. Следовательно, водные ресурсы появились на Земле одновременно с твердыми породами. Наша планета была рождена в воде.

В ходе исследований ученые не учитывали воду, попавшую на планету позднее, так как это не являлось необходимым. На Земле в ее «детские годы» уже было достаточно водных ресурсов для рождения океанов. В сочетании с остальными условиями на заре формирования нашей планеты это привело к рождению жизни на Земле. Возможно, что и на других планетных телах существовало достаточно влаги для появления живых существ, однако изменение климата позднее сделало их непригодными для жизни.

Возможно, когда-то вы уже задавали себе вопросы — Как образовалась вода , когда на Земле появилась первая капля живительной влаги?

До сих пор ученые не смогли дать точного, подтвержденного неоспоримыми фактами, ответа на этот вопрос, а вода, как известно, занимает 2/3 нашей планеты.

Как образовалась вода

Наиболее вероятными, по мнению ученых, являются две гипотезы рождения гидросферы – гипотеза «холодного» и гипотеза «горячего» начала:

• Гипотеза «холодного» начала предполагает, что вода образовалась на Земле при нагреве холодного пылевого облака.
• Гипотеза «горячего» начала предполагает, что изначально Земля состояла из горячей высокотемпературной субстанции, которая, охлаждаясь, разделилась на две фазы, газообразную и жидкую. Дальнейшее понижение температуры привело к появлению Гидросферы и Атмосферы.

До сих пор идут горячие дискуссии о правильности той или иной теории. В результате исследований ученые получают все новые и новые данные. Изучаются все новые образцы воды, в том числе изучается вода, полученная из космических объектов, изучается вода, добытая в глубинах Земли … Со школьной скамьи нам хорошо известна формула воды состоящая из двух элементов — H 2 O, но в реальных природных условиях, наряду с обычными изотопами этих двух элементов, существуют и более «тяжелые их родственники». Это факт уже рассматривался в материале . В природной воде на 1 000 000 обычных молекул H 2 O приходится 320 молекул, в которых один из атомов водорода заменен на дейтерий, 420 молекул с кислородом О 17 и почти 2 000 молекул состоящих из водорода и кислорода О 18 .

«Холодное» начало

Если предположить, что правильной является гипотеза «холодного» начала, то концентрация изотопа О 18 в водах мирового океана и в таких древнейших породах Земли как гранит и базальт должны быть приблизительно одинаковыми. Но как оказалось это не так, в горных породах изотопа О 18 заметно больше. Интрига стала еще большей, когда выяснилось, что изотопный состав земных вод, так же не соответствует и изотопному составу льда добытого из космических комет, хотя теория бомбардировки Земли ледяными глыбами была и остается весьма популярной. В числе остальных гипотез, можно предположить, что вода образовала в результате нескольких, не очевидных на данный момент времени, процессов.

Интересным является тот факт, что большинство воды в Солнечной системе образовалась раньше самого Солнца. Отметим еще один занимательный факт, изотопный состав воды в лунных породах и в земных аналогах приблизительно одинаков. Можно с высокой степенью вероятности предположить, что Луна и Земля образовались из одного вещества, а поскольку

Существует шесть гипотез появления воды на земном шаре.

Первая гипотеза исходит из «горячего» происхождения Земли. Считается, что некогда Земля была расплавленным огненным шаром, который, излучая тепло в пространство, постепенно остывал. Появилась первородная кора, возникли химические соединения элементов и среди них соединение водорода с кислородом, или, проще говоря, вода.

Пространство вокруг Земли все более заполнялось газами, которые непрерывно извергались из трещин остывающей коры. По мере охлаждения пары образовывали облачный покров, плотно окутавший нашу планету. Когда температура в газовой оболочке упала настолько, что влага, содержащаяся в облаках, превратилась в воду, пролились первые дожди. Тысячелетие за тысячелетием низвергались дожди. Они-то и стали тем источником воды, которая постепенно заполнила океанические впадины и образовала Мировой океан.

Вторая гипотеза исходит из «холодного» происхождения Земли с ее последующим разогревом. Разогрев стал причиной вулканической деятельности. Извергаемая вулканами лава выносила на поверхность планеты пары воды. Часть паров, конденсируясь, заполняла океанические впадины, а часть образовала атмосферу. Как теперь подтверждено, главной ареной вулканической деятельности на первых стадиях эволюции Земли действительно являлось дно современных океанов.

Согласно этой гипотезе вода содержалась уже в той первичной материи, из которой сложилась наша Земля. Подтверждением такой возможности является наличие воды в падающих на Землю метеоритах.

Третья гипотеза также исходит из «холодного» происхождения Земли с последующим ее разогревом. В мантии Земли на глубинах 50– 70 км из ионов водорода и кислорода начал возникать водяной пар. Однако высокая температура мантии не позволяла ему вступать в химические соединения с веществом мантии.

Под действием давления пар выжимался в верхние слои мантии, а затем и в кору Земли. В коре более низкие температуры стимулировали химические реакции между минералами и водой, в результате разрыхления пород, образовались трещины и пустоты, которые немедленно заполнялись свободной водой. Под действием давления воды трещины раздавались, превращались в разломы, и вода через них устремлялась на поверхность. Так возникли первичные океаны.

В пользу приведенной гипотезы свидетельствует резкое возрастание скорости сейсмических волн на глубине 15–20 км, т. е. как раз там, где должна пролегать граница предполагаемого раздела между гранитом и поверхностью рассола, граница резкого изменения физико-химических свойств вещества.

Приведенную гипотезу подтверждает и так называемый дрейф материков. Гранитные громады материков перемещаются. Они «плывут», хотя скорость их движения составляет всего несколько сантиметров в столетие.

Четвертая гипотеза принадлежит английскому астрофизику Хойлу и опубликована сравнительно недавно, в 1972 г. Она представляет собой следствие из гипотезы происхождения Солнечной системы. Конденсация протопланетного облака, окружавшего прото-Солнце, протекала неравнозначно на разных расстояниях от Солнца. Чем дальше от него, тем температура облака была ниже. Ближе к Солнцу могли конденсироваться, скажем, металлы как вещества более тугоплавкие. А там, где проходят орбиты Урана, Нептуна и Плутона, по расчетам Хойла, температура составляла примерно 350 К, что уже достаточно для конденсации паров воды. Именно этим обстоятельством можно объяснить «водную» природу Урана, Нептуна и Плутона, образовавшихся в процессе слияния частиц льда и снега. «Водную» природу указанных планет подтверждают новейшие астрономические наблюдения.

Расчеты, выполненные Хойлом, подтверждают возможность образования земных океанов из ледяных дождей, для чего потребовалось всего несколько миллионов лет.

Пятая гипотеза , как и четвертая, предполагает космическое происхождение воды, но из других источников. Дело в том, что на Землю из глубин космоса непрерывно низвергается ливень электрически заряженных частиц. И среди этих частиц изрядную долю составляют протоны – ядра атомов водорода. Пронизывая верхние слои атмосферы, протоны захватывают электроны и превращаются в атомы водорода, которые тут же вступают в реакцию соединения с кислородом атмосферы. Образуются молекулы воды. Расчет показал, что космический источник такого рода способен дать почти 1,5 т воды в год, и эта вода в виде осадков достигает земной поверхности.

Шестая гипотеза. Как установлено учеными, примерно 250 млн. лет назад на Земле был единый континент. Затем, неизвестно по каким причинам, он треснул, и части его начали расползаться, «уплывать» друг от друга.

Доказательствами существования некогда единого материка является не только подобие береговых линий, но также сходство флоры и фауны, сходство геологических структур побережий.

Исследования последних лет подтвердили: материки «плывут», расстояние между ними непрерывно увеличивается. Передвижение материков блестяще объясняет гипотеза расширяющейся Земли. Гипотеза утверждает: первоначально Земля имела радиус вдвое меньший, чем сейчас. Материки, слитые тогда воедино, опоясывали планету.

Океанов не существовало. И вот на границе протерозоя и мезозоя (250–300 млн. лет назад) Земля начала расширяться. Единый материк дал трещины, которые, наполнившись водой, превратились в океаны.

Однако по мере уплотнения пылевого облака происходило его гравитационное сжатие, и давление внутри прото-Земли возрастало. Соответственно росла и степень поглощения водорода металлами группы железа. Сжатие порождало антипод давления – разогрев. А так как наибольшему сжатию подвергались центральные области образовавшейся планеты, то там стремительнее росла и температура.

И вот на какой-то стадии разогрева, когда температура в ядре Земли достигла определенного критического значения (переход количественного роста в новое качественное состояние!), начался обратный процесс – выделение водорода из металлов.

Таким образом, дегазация водорода сопровождалась расширением Земли. Между тем водород, пронизывая огромную толщу планеты, захватывал по пути атомы кислорода, и на поверхность ее вырывались уже пары воды. Конденсируясь, вода заполняла разломы в коре. Постепенно образовались океаны.

Когда возникла Земля, она была слишком горячей для воды. Но откуда она тогда появилась? Два новых исследования рассказывают о том, как Юпитер сыграл свою роль.

Человечество существует, поскольку произошел настоящий взрыв. И не раз. В часы рождения Солнечной системы из частиц пыли вначале возникли мелкие кусочки, а затем большие астероиды. Массивные тела постоянно сливались друг с другом и расплавлялись в новом теле. В конце концов, осталось только несколько планетарных осколков, которые постепенно освобождали свой путь вокруг солнца. Так 4,5 миллиарда лет назад возникла Земля.

Эта теория возникновения Земли представляет собой научный компромисс. Только он дает ответ далеко не на все вопросы. Откуда на голубой планете появилась вода? Ведь исследователи едины во мнении о том, что когда сформировалась Земля, она была слишком горячей для молекул воды. Есть несколько теорий о ее происхождении.

Сразу два актуальных исследования продвигают одну из новейших теорий, согласно которой Юпитер сыграл одну из ведущих ролей. Вода и другие жидкие вещества были занесены на Землю не так, как об этом думали ранее, на более позднем этапе при помощи комет и астероидов, а уже на первой стадии возникновения планеты.

Вначале была жара

Когда произошла космическая бомбардировка, внутри Солнечной системы температура была настолько высокой, что вода существовала только в форме газа. Но этот газ молодые, несформировавшиеся планеты не могли принять. Вместо этого сильный солнечный ветер нес его в глубины космического пространства. Только позднее жизненно важное химическое соединение H20 вернулось из внешней холодной Солнечной системы. Когда? И как?

Исследование ученых Марио Фишера-Гедде (Mario Fischer-Gödde) и Торстена Кляйне (Thorsten Kleine) из Университета Мюнстера указывает на то, что странное движение планеты Юпитера в ходе первых миллионов лет солнечной системы занесло воду обратно к Земле. Эти данные противоречат распространенной теории, согласно которой вода оказалась на Земле только на последней фазе возникновения Земли 4,4-3,9 миллиардов лет назад при помощи метеоритов и астероидов. Их главный аргумент — редкий элемент Рутений.

У материала особые свойства. Он тяготеет к железу, сидерофильный, как говорят исследователи, и поэтому на начальной стадии возникновения планеты по большей части опустился к ядру, которое содержит железо. Но рутений находится и в слоях коры Земли и мантии. Идеально для Фишера-Гедде и Кляйне, потому что тем самым они знают, что рассказать о недавней истории Земли.

Блуждающий Юпитер

Земной рутений обладает специфическим составом. Он состоит из атомов с различным числом нейтронов, изотопов и обладает тем самым своего рода химическим отпечатком пальцев, который команда могла сравнить с рутением с молодых метеоритов.

В зависимости от происхождения метеоритов, которые являются остатками молодой Солнечной системы, состав их рутения также отличается. Кометы, содержащие воду, из внешней Солнечной системы имеют другой «отпечаток пальцев», нежели у сухих метеоритов из внутренней Солнечной системы. Происхождение мантии из последней стадии возникновения Земли может быть объяснено этим.

Результаты исследования Фишера-Гедде показывают, что мантия происходит из метеоритов из семьи энстатитового хондрита. Богатые водой объекты из внешней Солнечной системы, по всей видимости, не разрушились.

«Поскольку мы можем исключить, что вода прибыла на Землю вместе с метеоритами, это произошло именно до того», — говорит Торстен Кляйне. Его исследования обосновывают закрепленную только несколько лет назад модель «Большого разворота».

В соответствии с этой моделью молодой Юпитер дрейфовал в сторону внутренней Cолнечной системы из-за эффекта газовой оболочки планеты. Когда позднее возник Сатурн, его вновь потянуло наружу, на сегодняшнюю орбиту. В то время как газовый гигант на обратном пути подталкивал каменистый материал к Солнцу, он отбросил метеориты и воду из внешней Cолнечной системы в сторону Земли. «Тем самым в определенное время на Землю поступило много содержащих воду метеоров», — говорит Кляйне. И это произошло скорее на раннем этапе истории Земли.

Безводные метеориты сформировали Землю

Исследователей в своей теории поддержало другое исследование Николаса Дауфаса из Чикагского университета. Американский исследователь также обратился к идее рутения и применил ее одновременно на нескольких элементах. Все они появляются как на Земле, так и в метеоритах. В отличие от немецких ученых, он не проверил свои предположения на настоящих космических элементах, а развил на основе имеющихся исследований математическую модель о происхождении земного материала. В соответствии с ней, Земля возникла в ходе двух фаз. На первом этапе строительный материал образовывали некоторые богатые водой метеориты из внешней Солнечной системы — около одной десятой тогдашней массы Земли — и не содержащие воду энстатитовые хондриты. На втором этапе больше не было богатых водой метеоритов, к Земле направлялись исключительно энстатитовые хондриты.

Нет данных о кометах

Проблема заключается в том, что все ученые исследовали только метеориты, то есть небесные тела, которые упали на Землю. «Мы предполагаем, что соотношение изотопов рутения тем меньше соответствует соотношению с Землей, чем дальше от Солнца возникают кометы», — говорит Кляйне. «Тем самым мы исключаем внешние небесные тела как носители воды на последней стадии возникновения Земли». Если вопреки ожиданиям за пределами Солнечной системы существуют кометы, которые обладают такими же изотопами рутения, как и у Земли, эта модель больше не будет функционировать.

Чего не хватает, чтобы разгадать загадку об источнике земной воды, так это надежные данные о подобных небесных телах. Они могут быть предоставлены с экспедиций к кометам. Поскольку миссия Rosetta Европейского космического агентства еще не предоставила достаточное количество данных, исследователи делают ставку на будущие проекты. Однако официально решение о подобной миссии пока не принято.