Ранее ряд исследователей пытались предложить другое объяснение: вода содержалась в неких гидратированных минералах внутри земной мантии. Со временем эти минералы могли разлагаться, выделяя воду, что действительно типично для некоторых соединений магния и кремния. Однако, как отмечают авторы новой работы в Physical Review Letters, предлагавшиеся соединения часто не могли удерживать воду при тех температурах и давлении, которые должны быть в земной мантии.
Откуда же взялась вода? Ученые предлагают взглянуть на вопрос шире и напоминают, что в первые десятки миллионов лет после образования Земли ее внутренняя структура была совсем не такой, как сейчас. В наши дни треть планеты — это железо-никелевое ядро, состоящее из компонентов много тяжелее силикатов, образующих мантию. Но вначале планета внутри была более однородной: более тяжелые металлические компоненты во многом еще не «утонули» в ядре планеты, а более легкие силикатные еще не «всплыли» в мантию и кору. Это значит, что силикаты того времени подвергались воздействию тех температур и давлений, которые сейчас есть в ядре, но которым они не подвергаются сегодня, «всплыв» в мантию.
В новой работе ученые во главе с Сяо Дуном (КНР) использовали семейство эволюционных алгоритмов USPEX, разработанных Артемом Огановым (второй автор работы), для расчета свойств различных соединений, чтобы выяснить, какие из них могли содержать воду в недрах тогдашней Земли. Оказалось, что подходящих кандидатов всего два, и оба они — модификации одного силиката: α−Mg2SiO5H2 и β−Mg2SiO5H2. Первый сохраняют стабильность при 262–338 гигапаскалях (примерно 2,6-3,4 миллиона земных атмосфер). Второй — при давлениях выше 338 гигапаскалей. Оба соединения — суперионные проводники, то есть ионы (в частности, протоны, ядра атомов водорода) внутри их кристаллической решетки мигрируют довольно легко. Что важно, в отличие от более ранних кандидатов в «водоносные» минералы в глубинах Земли, оба эти соединения могут сохранять стабильность при температурах в тысячи кельвин, то есть удерживали воду даже находясь в центре нашей планеты.
В комментарии для Naked Science Артем Оганов отмечает, что в первые десятки миллионов лет земной истории, когда расплавленное железо опускалось в центр планеты, вытесняя более легкие силикаты в область меньших глубин, предсказанное соединение постепенно начало разлагаться. Давление в мантии, куда они переместились, было слишком низким, чтобы оно могло существовать. Среди продуктов распада 11% по весу составила вода.
Оказавшись в мантии, она, в силу малой плотности, постепенно поднималась вверх, и с извержениями вулканов попадала в атмосферу Земли. Так постепенно поверхность нашей планеты оказалась насыщена водяным паром, который затем конденсировался, образуя водоемы.
Вопрос о происхождении земной воды чрезвычайно важен по двум причинам. Во-первых, без нее не могла бы возникнуть местная жизнь и мы сами. Во-вторых, поняв, как она возникла на Земле, можно более или менее ясно представить, какие из открываемых астрономами экзопланет в «зоне обитаемости» могут быть насыщены водой, а значит и потенциальной жизнью, а какие лишены ее.
ДОКТОРАНТ🎓Новости🔥Бизнес Аналитика
Химики вычислили источник земной воды
Ранее ряд исследователей пытались предложить другое объяснение: вода содержалась в неких гидратированных минералах внутри земной мантии. Со временем эти минералы могли разлагаться, выделяя воду, что действительно типично для некоторых соединений магния и кремния. Однако, как отмечают авторы новой работы в Physical Review Letters, предлагавшиеся соединения часто не могли удерживать воду при тех температурах и давлении, которые должны быть в земной мантии.Откуда же взялась вода? Ученые предлагают взглянуть на вопрос шире и напоминают, что в первые десятки миллионов лет после образования Земли ее внутренняя структура была совсем не такой, как сейчас. В наши дни треть планеты — это железо-никелевое ядро, состоящее из компонентов много тяжелее силикатов, образующих мантию. Но вначале планета внутри была более однородной: более тяжелые металлические компоненты во многом еще не «утонули» в ядре планеты, а более легкие силикатные еще не «всплыли» в мантию и кору. Это значит, что силикаты того времени подвергались воздействию тех температур и давлений, которые сейчас есть в ядре, но которым они не подвергаются сегодня, «всплыв» в мантию.
В новой работе ученые во главе с Сяо Дуном (КНР) использовали семейство эволюционных алгоритмов USPEX, разработанных Артемом Огановым (второй автор работы), для расчета свойств различных соединений, чтобы выяснить, какие из них могли содержать воду в недрах тогдашней Земли. Оказалось, что подходящих кандидатов всего два, и оба они — модификации одного силиката: α−Mg2SiO5H2 и β−Mg2SiO5H2. Первый сохраняют стабильность при 262–338 гигапаскалях (примерно 2,6-3,4 миллиона земных атмосфер). Второй — при давлениях выше 338 гигапаскалей. Оба соединения — суперионные проводники, то есть ионы (в частности, протоны, ядра атомов водорода) внутри их кристаллической решетки мигрируют довольно легко. Что важно, в отличие от более ранних кандидатов в «водоносные» минералы в глубинах Земли, оба эти соединения могут сохранять стабильность при температурах в тысячи кельвин, то есть удерживали воду даже находясь в центре нашей планеты.
Оказавшись в мантии, она, в силу малой плотности, постепенно поднималась вверх, и с извержениями вулканов попадала в атмосферу Земли. Так постепенно поверхность нашей планеты оказалась насыщена водяным паром, который затем конденсировался, образуя водоемы.
Вопрос о происхождении земной воды чрезвычайно важен по двум причинам. Во-первых, без нее не могла бы возникнуть местная жизнь и мы сами. Во-вторых, поняв, как она возникла на Земле, можно более или менее ясно представить, какие из открываемых астрономами экзопланет в «зоне обитаемости» могут быть насыщены водой, а значит и потенциальной жизнью, а какие лишены ее.