Большинство жизненно важных элементов Земли, включая большую часть углерода и азота, происходят, вероятно, с другой планеты. Скорее всего, они попали на Землю исключительно вследствие столкновения еще молодой Земли с протопланетой Тейей, размеры которой сопоставимы с размерами Марса, благодаря чему около 4,4 миллиарда лет назад образовалась и наша земная Луна. К таким выводам пришла группа американских геологов после проведения подробного компьютерного моделирования.
Художественно изображение столкновения двух протопланет. © NASA/JPL-Caltech
Как пишет в журнале группа исследователей под руководством Даманвира Гревала и Радждипа Дасгупты из университета Райса, вследствие изучения простейших древних метеоритов уже давно было известно, что Земля и другие каменистые планеты внутренней Солнечной системы изначально были сравнительно бедны летучими веществами. Поэтому время и способ, когда и как эти вещества попали на Землю, до сих пор являются предметом горячих научных дискуссий. «В нашем исследовании мы теперь смогли впервые объяснить время и механизм доставки этих ингредиентов, где результат полностью совпадает со всеми геохимическими данными и известными фактами», убежденно говорят ученые о сделанных выводах.
К такому заключению исследователи пришли, использовав комбинацию экспериментов с высокими температурами и с высоким давлением в лаборатории, которая специализируется на изучении геохимических реакций, происходящих глубоко в недрах планеты под интенсивным воздействием тепла и давления.
В своих экспериментах команда хотела проверить давнюю теорию о том, что летучие компоненты Земли возникли в результате столкновения с зародышевой планетой, ядро которой было богато серой. «Содержание серы в ядре планеты-донора важно, потому что собрано уже немало экспериментальных данных в отношении углерода, азота и серы, которые подтверждают, что эти элементы существуют во всех частях Земли, кроме ядра», — объясняют Гревал и его коллеги. — «Ядро не взаимодействует с остальными слоями и частями Земли. Но при этом все остальные ее части — мантия, кора, гидросфера и атмосфера — связаны друг с другом соответствующим круговоротом материалов и веществ ".
Давнюю идею о том, как Земля получала свои летучие составляющие, выражает теория «позднего слоя» (late verneer), согласно которой метеориты с большим количеством летучих веществ, то есть с остатками первичного вещества из внешней Солнечной системы, попали на Землю уже после формирования земного ядра. Но при том, что изотопные сигнатуры летучих элементов Земли совпадают с этими исходными объектами, так называемыми углеродистыми хондритами, элементное соотношение углерода и азота с ними не совпадает. Неосновный материал Земли (то есть не из земного ядра), который геологи называют «объемной силикатной землей» (BSE), и геохимическое соединение всех каменистых пород, без земного ядра, содержит около 40 частей углерода на каждую часть азота, что примерно вдвое превышает соотношение 20:1, имеющее место в углеродистых хондритах.
В проведенных недавно экспериментах, моделирующих высокие давления и температуры во время образования ядра, Гревал и его команда проверили идею о том, что богатое серой планетарное ядро может исключать углерод или азот, или и то, и другое, оставляя гораздо большие пропорции этих элементов в BSE по сравнению с остальной Землей. В серии испытаний при различных температурах и давлениях исследователи проверили три сценария, а именно, сколько углерода и азота попадет в ядро при: а) отсутствии серы, б) 10 процентах серы и в) 25 процентах серы.
Результат оказался таковым. «Азот остался практически нетронутым», — констатировали ученые. — «Он остается растворимым в сплавах относительно силикатов и удалялся из ядра только при самой высокой концентрации серы. Углерод же, напротив, был значительно менее растворим в сплавах с промежуточными концентрациями серы, а серосодержащие сплавы показали в своем составе примерно в десять раз меньше углерода, чем сплавы без серы».
Основываясь на этой информации, а также на известных соотношениях и концентрациях элементов как на Земле, так и во внеземных телах, исследовательская группа разработала программу компьютерного моделирования для определения наиболее вероятного сценария, при котором образуются летучие вещества Земли. Чтобы найти ответ, пришлось варьировать с исходными условиями: было выполнено около 1 миллиарда сценариев, которые были сопоставлены с известными условиями в Солнечной системе.
«Мы обнаружили, что все факторы — изотопные сигнатуры, отношение углерода к азоту и общее количество углерода, азота и серы в BSE — соответствуют сценарию, описывающему столкновение молодой Земли с богатой летучими веществами планетой-носителем размером примерно с Марс, ядро который было богато серой», — говорит Гревал.
Команда исследователей из университета Райса (слева направо): Гелу Костин, Ченгуанг Сан, Даманвир Гревал, Радждип Дасгупта и Кьюсей Цуно. © Jeff Fitlow/Rice University
«Наше исследование показывает, что каменистая, похожая на Землю планета имеет больше шансов получить важные для зарождения и развития жизни на ней элементы, когда происходят катастрофические столкновения с планетами, состоящими из разных компонентов, происходящих из разных частей протопланетного диска», — объясняет Дасгупта. — «Это показывает, что жизненно важные летучие вещества могут проникать в поверхностные слои планеты, даже если они появились на планетарных телах, у которых образование ядра происходило в очень противоречивых условиях».
Это также показывает, что лишь один BSE не мог доставить жизненно важные летучие вещества, которые создали нашу биосферу, атмосферу и гидросферу. «Это, в свою очередь, означает, что нам следует расширить поиск путей, которые заставляют летучие элементы на планете объединяться, чтобы зародилась жизнь, какой мы ее знаем».
