Ученые выяснили, насколько стара наша вода, и она стара
Происхождение воды на Земле всегда было загадкой. Существуют разные гипотезы и теории, объясняющие, как сюда попала вода, и множество доказательств, подтверждающих их.
Но вода присутствует в протопланетных дисках повсеместно, и ее происхождение, возможно, не такое уж загадочное.
Исследовательская статья Elements в GeoScienceWorld показывает, что в других молодых солнечных системах много воды. В солнечных системах, таких как наша, вода приходит в движение по мере роста молодой звезды и формирования планет. Доказательством является содержание тяжелой воды на Земле, и оно показывает, что воде на нашей планете 4,5 миллиарда лет.
Статья называется «Мы пьем хорошую воду возрастом 4,5 миллиарда лет», и ее авторы Сесилия Чеккарелли и Фуджун Ду. Чеккарелли — итальянский астроном из Института планетарных наук и астрофизики в Гренобле, Франция. Ду — астроном из обсерватории Purple Mountain в Нанкине, Китай.
Формирование Солнечной системы начинается с гигантского молекулярного облака. Облако в основном состоит из водорода, основного компонента воды. Далее следуют гелий, кислород и углерод в порядке их содержания.
Облако также содержит крошечные крупинки силикатной и углеродистой пыли. Исследовательская статья знакомит нас с историей воды в нашей Солнечной системе, и здесь она начинается.
Здесь, в холодных пределах молекулярного облака, когда кислород сталкивается с пылинкой, она замерзает и прилипает к поверхности.
Но вода не вода, пока водород и кислород не соединятся, а более легкие молекулы водорода в облаке скачут по замерзшим пылинкам, пока не встретятся с кислородом.
>Когда это происходит, они вступают в реакцию и образуют водяной лед – воду двух типов: обычную воду и тяжелую воду, содержащую дейтерий.
Дейтерий – это изотоп водорода, называемый тяжелым водородом (HDO). Он имеет протон и один нейтрон в своем ядре. Это отличает его от «обычного» водорода, называемого протием. В протии есть протон, но нет нейтрона. Оба этих изотопа водорода стабильны и сохраняются по сей день, и оба могут соединяться с кислородом с образованием воды.
Когда водяной лед образует мантию на пылинках, авторы называют это холодной фазой, первым шагом в процесс, который они обрисовывают в своей статье.
Гравитация начинает действовать в облаке, когда материя скапливается в центре. Больше массы попадает в центр молекулярного облака и начинает формировать протозвезду. Часть гравитации преобразуется в тепло, и в пределах нескольких астрономических единиц (а.е.) от центра облака температура газа и пыли в диске достигает 100 Кельвинов (-280 по Фаренгейту).
100 К — это горько. холодно по земным меркам, всего -173 градуса по Цельсию. Но с химической точки зрения этого достаточно, чтобы вызвать сублимацию, и лед меняет фазу на водяной пар. Сублимация происходит в жарком районе корино, теплой оболочке, окружающей центр облака.
Хотя они также содержат сложные органические молекулы, вода становится самой распространенной молекулой в корино.
Вода в изобилии в этот момент, хотя это все пар. «…в типичном горячем корино содержится примерно в 10 000 раз больше воды, чем в океанах Земли», — пишут авторы.
Это второй шаг в описанном авторами процессе, и они называют его фазой протозвезды.
p>
Затем звезда начинает вращаться, а окружающие ее газ и пыль образуют уплощенный вращающийся диск, называемый протопланетным диском. Все, что в конечном итоге станет планетами Солнечной системы и другими объектами, находится внутри этого диска.
Молодая протозвезда все еще набирает массу, и ее термоядерная жизнь на главной последовательности еще далеко впереди.
p>
Молодая звезда выделяет некоторое количество тепла от толчков на своей поверхности, но не очень много. Таким образом, диск холодный, а области, наиболее удаленные от молодой протозвезды, самые холодные. По мнению авторов, то, что произойдет дальше, имеет решающее значение.
Водяной лед, образовавшийся на первом этапе, превращается в газ на втором этапе, но снова конденсируется в самых холодных частях протопланетного диска. Та же популяция пылинок снова покрыта ледяной мантией.
Но теперь молекулы воды в этой ледяной мантии содержат историю воды в Солнечной системе. «Таким образом, пылинки являются хранителями наследственности воды», — пишут авторы.
Это третий шаг в этом процессе.
На четвертом этапе Солнечная система начинает обретать форму и напоминают более законченную систему. Все, к чему мы привыкли, например, планеты, астероиды и кометы, начинают формироваться и занимать свои орбиты. И от чего они происходят? Эти крошечные пылинки и их дважды замороженные молекулы воды.
Вот в какой ситуации мы оказались сегодня. Хотя астрономы не могут путешествовать во времени, они все лучше наблюдают за другими молодыми солнечными системами и находят ключи ко всему процессу. Земная вода также содержит важную подсказку: отношение тяжелой воды к обычной воде.
Некоторые детали не учитываются в простом объяснении, данном до сих пор. Когда на первом этапе образуется водяной лед, температура очень низкая. Это вызывает необычное явление, называемое супердейтерированием. Сверхдейтерий вводит в водяной лед больше дейтерия, чем при других температурах.
Дейтерий образовался только через несколько секунд после Большого взрыва. Ее образовалось немного: только один дейтерий на каждые 100 000 атомов протия.
Это означает, что если дейтерий равномерно смешать с водой Солнечной системы, содержание тяжелой воды будет выражено как 10-5. Но впереди еще много сложностей.
В жарком Корино изобилие меняется. «Однако в горячих корино отношение HDO/H2O лишь немногим меньше 1/100», — объясняют авторы. (HDO – это молекулы воды, содержащие два изотопа дейтерия, а H2O – обычная вода, содержащая два изотопа протия.)
Есть еще больше крайностей. «Чтобы сделать вещи еще более экстремальными, — объясняют авторы, — дважды дейтерированная вода D2O составляет 1/1000 по отношению к H2O, а именно примерно в 107 раз больше, чем можно было бы оценить по D /H отношение содержания элементов.»
Отношения содержат такое большое содержание дейтерия из-за сверхдейтерирования. В тот момент, когда на поверхности пылинок образуется лед, увеличивается количество атомов D по сравнению с атомами H, попадающими на поверхность пылинок.
Углубленное химическое объяснение выходит за рамки этой статьи. статье, но вывод ясен.
«Других способов получения такого большого количества тяжелой воды в горячих кориносах нет и вообще», — пишут авторы. «Поэтому обилие тяжелой воды является отличительной чертой синтеза воды в холодном молекулярном облачном скоплении в эпоху ШАГА 1».
На данный момент важно то, что существует два эпизода синтеза воды. Первый случается, когда Солнечная система еще не сформировалась и представляет собой лишь холодное облако. Во-вторых, когда формируются планеты.
И то, и другое происходит в разных условиях, и эти условия оставляют свой изотопный отпечаток на воде. Воде первого синтеза 4,5 миллиарда лет, и возникает вопрос: «Сколько этой древней воды достигло Земли?»
Чтобы выяснить это, авторы наблюдали единственные две вещи, которые они могли: общее количество воды и количество дейтерированной воды.
Как выразились авторы, «…а именно, отношение тяжелой воды к обычной, HDO/H2O».
Было создано более чем достаточно воды, чтобы составить запас воды на Земле. Помните, что количество воды в горячем корино было в 10 000 раз больше, чем воды на Земле, а его соотношение HDO/H2O отличается от воды, образовавшейся в первоначальном облаке.
Сколько воды Корино достигло Земли? Подсказку можно найти, сравнивая значения HDO/H2O в земной воде с таковыми для горячих корино.
Горячие корино — единственное место, где мы наблюдали HDO в любых неподвижных водах. -образующие планетные системы солнечного типа. В предыдущих исследованиях ученые сравнивали эти отношения с отношениями объектов в нашей Солнечной системе — комет, метеоритов и ледяного спутника Сатурна Энцелада.
Итак, они знают, что изобилие тяжелой воды на Земле, HDO/H 2O, примерно в десять раз больше, чем во Вселенной и в начале Солнечной системы.
«Тяжелая вода на Земле примерно в десять раз больше, чем элементарная Отношение D/H во Вселенной и, следовательно, при рождении Солнечной системы, в так называемой солнечной туманности», — поясняют авторы.
Результаты всей этой работы показывают, что от 1 до 50 процентов воды на Земле пришли из начальной фазы рождения Солнечной системы. Это широкий диапазон, но это все же важная часть знаний.
Авторы подводят итог в своем заключении.
«Вода в кометах и астероидах (из которых подавляющее большинство происхождения метеоритов) также была унаследована с самого начала в больших количествах. Земля, вероятно, унаследовала свою первоначальную воду преимущественно от планетезималей, которые, как предполагается, были предшественниками астероидов и планет, сформировавших Землю, а не от комет, пролившихся на нее дождем. .»
Доставка кометами — еще одна гипотеза для земной воды. Согласно этой гипотезе, замерзшая вода из-за линии промерзания достигает Земли, когда кометы потревожены и отправлены из замерзшего Облака Оорта во внутреннюю часть Солнечной системы. Идея имеет смысл.
Но это исследование показывает, что это может быть неправдой.
Однако оно по-прежнему оставляет вопросы без ответа. Это не объясняет, как вся вода достигла Земли. Но исследование показывает, что количество тяжелой воды на Земле — это, по крайней мере, начало понимания этого.
«В заключение, количество тяжелой воды на Земле — это наша нить Ариадны, которая может помочь нам выйти из лабиринта всех возможных путей, по которым могла пойти Солнечная система», — объясняют они.
Воды Земли 4,5 миллиарда лет, как и говорится в названии статьи. По крайней мере, некоторые из них. По мнению авторов, планетозимали, вероятно, доставили его на Землю, но как именно это происходит, неясно. Ученым нужно разобраться с еще большим количеством сложностей, прежде чем они смогут это выяснить.
«Вопрос довольно сложный, потому что происхождение и эволюция земной воды неизбежно связаны с другими важными участниками на этой планете, например, углерод, молекулярный кислород и магнитное поле», — пишут авторы.
Все эти вещи тесно связаны с тем, как возникла жизнь и как сформировались миры. Вода, вероятно, сыграла роль в формировании планетезималей, которые доставили ее на Землю. Вода, вероятно, сыграла роль в выделении других химических веществ, в том числе строительных блоков жизни, на каменистых телах, которые доставили их на Землю.
Вода находится в центре всего этого, и, показав, что некоторые из ее дат до самого начала Солнечной системы, авторы предоставили отправную точку для выяснения остальной ее части.
«Здесь мы представили упрощенную раннюю историю воды Земли в соответствии с самыми последними наблюдений и теорий», — пишут они.
«Значительная часть земной воды, вероятно, образовалась в самом начале рождения Солнечной системы, когда она была холодным облаком газа и пыли, застывшим и законсервировавшимся в ходе различных шаги, которые привели к формированию планет, астероидов и комет и в конечном итоге были переданы зарождающейся Земле.
«То, как произошел последний проход, — это еще одна увлекательная глава», — заключают они.
Эта статья была первоначально опубликована Universe Today. Прочтите исходную статью.
