Водата на Земята: астероиди, слънчева небула и какво показаха проверките

Откъде е водата на Земята, е един от най-старите въпроси на планетната наука. Обичайното обяснение е, че планетата е получила малко воден материал от по-влажните области на Слънчевата система, например въглеродни хондрити, след като вече се е била образувала. През октомври 2018 г. Джун Ву (Jun Wu), Стивън Деш (Steven Desch) и колеги от Аризонския държавен университет публикуваха в „Journal of Geophysical Research: Planets“ модел с още един източник: водородът на слънчевата небула. Заглавията в началото на 2019 г. го поднесоха като „не цялата вода е от астероиди“. Това е вярно, но делът на небулата в модела е малък.

Какво предлага моделът

Земята е израснала от по-малки тела, наречени зародиши. Авторите допускат, че най-големият от тях е имал магмен океан, докато около младото Слънце още е имало газов диск. Така той е могъл да погълне водород от небулата. При образуването на ядрото водородът реагира с желязото, преминава в ядрото и изотопният му състав се променя. Екипът провери около 10 000 комбинации от източници спрямо данните за водата на Земята и за съотношението D/H в силикатната ѝ част, което е около 150 × 10⁻⁶. D/H е отношението на деутерия, тежкия водороден изотоп, към обикновения водород: то служи като отпечатък на източника.

Най-добро съответствие дава малък принос от небулата – до около половин „океан“, тоест маса, равна на половината от днешните океани – плюс седем до осем „океана“ от хондрити. Около 60 % от водорода влиза в ядрото и понижава D/H там до около 130 × 10⁻⁶. Според авторите така се обясняват ниското D/H в материал от границата ядро–мантия и количеството слънчев неон и хелий в земните недра.

Как се проверяват такива идеи

Съотношението D/H се мери в океаните, в метеоритите и в кометите. През декември 2014 г. прибор на космическата сонда „Росета“ измери в кометата 67P/Чурюмов–Герасименко стойност около (5,3 ± 0,7) × 10⁻⁴, приблизително три пъти повече от земната. Заедно с други измервания това показва, че кометите от семейството на Юпитер имат различни стойности и че този резервоар не е само вода като земната.

Другата линия идва отвътре. През 2015 г. Лидия Халис (Lydia Hallis) и колеги анализираха лави от остров Бафин и от Исландия и заключиха, че дълбоката мантия има ниско D/H, с δD под −218 промила. Според тях в земните недра има съставка, чието D/H е наследено директно от протослънчевата небула. Моделът от 2018 г. включва и обяснение за ниското D/H в материал от границата ядро–мантия.

Какво показаха следващите години

През 2020 г. Лорет Пиани (Laurette Piani) и колеги измериха водорода и D/H в 13 енстатитни хондрити – метеорити, чийто изотопен състав за много елементи е близък до земния. Дотогава те се смятаха за почти безводни, защото са се образували в горещата вътрешна част на Слънчевата система. Оказа се, че съдържат много повече водород, отколкото се допускаше: достатъчно за най-малко три пъти масата на земните океани. Съотношението D/H и азотните изотопи съвпадат с тези в земната мантия. Според авторите по-голямата част от водата на Земята може да е дошла с водорода на такъв материал, тоест от строителния материал на планетата, а не само от по-късна доставка отвън.

В края на 2022 г. екип с първи автор Р. К. Грийнвуд (R. C. Greenwood) изследва кислородните изотопи в четири частици от астероида Рюгу, донесени от сондата „Хаябуса 2“. Рюгу съдържа крехък материал, който го няма в метеоритните колекции, защото по-слабият материал се разрушава при навлизането в атмосферата. Пробите най-много приличат на редките хондрити от тип CI. Авторите смятат, че подобен материал е широко разпространен сред въглеродните астероиди и може да е бил по-важен източник на вода за Земята, отколкото сочат метеоритите.

Нито една от двете работи не проверява директно небулния принос от 2018 г. Те поставят до него други източници: водород в самия строителен материал на Земята и воден материал от астероиди като Рюгу.

Кои източници остават на масата

Към днес за произхода на земната вода се обсъждат няколко източника: въглеродни астероиди, материал като енстатитните хондрити и водород от небулата. Кометата 67P с три пъти по-високо D/H от земното не прилича на земната вода. Не е известно и колко от водорода е попаднал в ядрото: цифрата 60 % е резултат от модела, а не измерване. Затова въпросът остава открит, а моделите се различават по това кои източници участват и в какво съотношение.