Земля сформировалась из сухих, каменистых строительных блоков

Миллиарды лет назад в гигантском диске из пыли, газа и каменистого вещества, вращавшемся вокруг нашего молодого Солнца, образовывались все более крупные тела, которые в конечном итоге привели к появлению планет, лун и астероидов, которые мы видим сегодня. Ученые до сих пор пытаются понять процессы формирования планет, в том числе и нашей родной планеты. Одним из способов изучения процесса формирования Земли является исследование магмы, вытекающей из недр планеты. Химические сигнатуры этих образцов содержат информацию о времени и характере взаимодействия материалов, образовавших Землю, подобно тому, как окаменелости дают нам представление о биологическом прошлом Земли.

Теперь исследование, проведенное в Калифорнийском технологическом институте, показывает, что ранняя Земля аккрецировала из горячих и сухих материалов, что указывает на то, что вода на нашей планете — важнейший компонент для эволюции жизни — должна была появиться на поздних этапах формирования Земли.

Исследование, в котором участвовала международная группа ученых, проводилось в лабораториях Франсуа Тиссо, доцента кафедры геохимии и исследователя Heritage Medical Research Institute, и Игана Чжана из Университета Китайской академии наук. Статья с описанием исследования опубликована в журнале Science Advances. Первый автор статьи — аспирант Калифорнийского технологического института Вейи Лю (Weiyi Liu).

Хотя у человека нет возможности проникнуть в недра нашей планеты, породы, залегающие глубоко в недрах Земли, могут естественным образом выходить на поверхность в виде лав. Родительские магмы этих лав могут происходить из различных глубин Земли, таких как верхняя мантия, которая начинается примерно в 15 км под поверхностью и простирается на 680 км, или нижняя мантия, которая простирается с глубины 680 км до границы ядра и мантии на глубине около 2900 км под нашими ногами. Подобно пробам различных слоев торта — глазури, начинки, бисквита — ученые могут изучать магмы, происходящие с разных глубин, чтобы понять различные «вкусы» слоев Земли: содержащиеся в них химические вещества и их соотношение друг с другом.

Поскольку формирование Земли не было мгновенным, а происходило с течением времени, образцы из нижней и верхней мантии дают разный ключ к пониманию того, что происходило в течение времени в процессе аккреции Земли. В новом исследовании специалисты обнаружили, что ранняя Земля состояла в основном из сухих, каменистых материалов: химические сигнатуры из глубины планеты показали отсутствие так называемых летучих веществ, которые представляют собой легко испаряемые материалы, такие как вода и йод. В образцах верхней мантии, напротив, обнаружена более высокая доля летучих веществ, в три раза превышающая их содержание в нижней мантии. На основе этих химических соотношений Лю создал модель, согласно которой Земля сформировалась из горячих, сухих, каменистых материалов, а значительное добавление необходимых для жизни летучих веществ, включая воду, произошло только в последние 15 процентов (или менее) периода формирования Земли.

Исследование является важнейшим вкладом в теорию формирования планет — область, которая за последние десятилетия претерпела несколько смен парадигм и до сих пор характеризуется активными научными дискуссиями. В этом контексте новое исследование позволяет сделать важные предсказания относительно природы строительных газоблоков других земных планет — Меркурия и Венеры, которые, как можно предположить, сформировались из аналогичных сухих материалов.

«Исследование космоса на внешних планетах действительно важно, потому что водный мир — это, вероятно, лучшее место для поиска внеземной жизни», — говорит Тиссот. «Но не следует забывать и о внутренней части Солнечной системы. В течение почти 40 лет не было ни одной миссии, которая бы коснулась поверхности Венеры, и ни разу не было миссии на поверхность Меркурия. Мы должны иметь возможность изучать эти миры, чтобы лучше понять, как формировались земные планеты, такие как Земля».

Статья озаглавлена «I/Pu показывает, что Земля в основном аккрецировала из бедных летучими веществами дифференцированных планетезималей». Помимо Лю и Тиссо, соавторами работы являются Чжан из Университета Китайской академии наук, Гийом Авис из Университета Париж Сите, Института физики земного шара в Париже, Чжилинь Йе из Китайской академии наук и Цин-Чжу Инь из Калифорнийского университета в Дэвисе. Финансирование осуществлялось Китайской академией наук, Национальным научным фондом, стипендией Паккарда по науке и технике, Институтом медицинских исследований «Наследие» и Калифорнийским технологическим университетом.