Вода на Земле могла появиться прямо во время роста планеты

Подробно

Как учёные получили воду из сухих камней?

Идея опирается на модель «пеббловой аккреции»: планета растёт, собирая миллиметровые и сантиметровые каменистые частицы - «пебблы». Падая сквозь горячую атмосферу, богатую водородом, они плавятся. Авторы проверили, что происходит с оксидом железа (FeO) в расплавленной породе при контакте с водородом: он превращается в металлическое железо, а водород соединяется с кислородом и даёт водяной пар.

В качестве образцов взяли природный базальт со дна Тихого океана (Восточно-Тихоокеанское поднятие), его синтетический аналог и пикробазальт - смесь природного базальта с оливином в равных долях. Сначала образцы прогревали в потоке гелия, чтобы удалить воду. Затем нагревали в потоке водорода. Гелиевый этап служил контролем: без водорода железо не восстанавливалось.

Сколько воды получилось в экспериментах?

Опыты шли при температурах примерно 1 200-1 450 °C и длились от 15 минут до трёх часов. В резистивной печи на образцах около 100 мг восстановилось в среднем 20,3% FeO при 1 200 °C за час, 22,7% за три часа, 67,4% при 1 300 °C за час и 69,7% за три часа. Воду здесь напрямую не собирали, её количество (0,80-2,27 мг) оценили по убыли FeO.

В индукционной печи образцы массой 0,5-1,0 г нагревали 15 минут. В шести таких опытах собрали 3,0-20,3 мг воды, то есть 6,0-24,7 мг на грамм породы. Доля восстановленного FeO составила 20,8-77,1%. «Почти 80%» из пресс-релиза университета - это округлённый максимальный отдельный результат; в статье результаты обобщены как примерно 20-70%.

Вода получилась обогащённой дейтерием (тяжёлым водородом) на 73,8-99,8‰ относительно исходного водорода. Кроме того, при 1 300 °C силикат потерял около 91-97% фосфора, который ушёл в металлическую фазу. При 1 200 °C потеря составила лишь около 7-16%. Авторы предполагают, что погружение такого металла в ядро могло изменить состав мантии Земли по сравнению с Марсом, но в опытах перенос в ядро не наблюдали.

Сколько океанов могла произвести молодая Земля?

Это не лабораторное измерение, а экстраполяция. Авторы перенесли результаты на Землю, используя две модели состава пебблов. Предельно допустимая степень восстановления оценена примерно в 79% и 48%, и объём воды зависит от выбранной модели. Захари Шарп, профессор и директор факультета наук о Земле и планетах Университета Нью-Мексико, сказал:

Нас сильно удивило, что экстраполяция нашей работы говорит: так, вероятно, было произведено столько воды, сколько содержат сотни океанов.

Произведённая вода не равна сохранившейся. Пар мог раствориться в магматическом океане или покинуть атмосферу и уйти в космос. Исследование не определяет, какая доля дошла до современных океанов, и фактический вклад в земную воду ещё предстоит выяснить.

Чем это отличается от версии про воду из комет и метеоритов?

Шарп подчёркивает отличие от прежних представлений:

Прежние идеи об источнике воды на Земле опираются на внешний источник, такой как кометы или метеориты. Мы показываем, что практически любая планета размером с Землю должна получать воду по этому недавно выявленному механизму.

Он же отмечает, что пеббловая аккреция - сравнительно новая идея, которой около десяти лет, но она решает многие проблемы прежней картины формирования планет. Теоретическую основу заложила в 2021 году работа Андерса Йохансена с соавторами в Science Advances. В 2023 году Олсон и Шарп показали, что такая аккреция совместима с изотопными данными о Земле лишь при определённых условиях, а в 2025 году Гарай, Олсон и Шарп рассчитали состав пебблов, лучше воспроизводящий состав Земли.

По словам Шарпа, из этого разумно ожидать, что и у других планет размером с Землю возле других звёзд есть вода и, возможно, жизнь. Это предположение автора, а не результат опытов.

Насколько надёжны выводы и что говорят независимые эксперты?

Статья прошла рецензирование (рецензенты - Мартин Биццарро, Санг-Хеон Шим и ещё один анонимный). Первичные данные опубликованы в репозитории Dryad. Исследование профинансировал Национальный научный фонд США (грант EAR1953992), авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Редакция Nature Geoscience в обзоре отметила, что механизм потенциально распространён среди землеподобных экзопланет. Это редакционное обобщение, а не отдельное исследование.

Китайские учёные из Института геологии и геофизики Академии наук (Чжан Чжиган, Хуан Шэнсюань, Хэ Юйян) считают работу продолжением исследований эндогенного происхождения воды, но указывают на ограничения. Установка использовала чистый водород при давлении около 84 кПа, тогда как атмосфера протопланеты была смешанной и гораздо более плотной. Оценка десятков или сотен океанов зависит от модели состава и формирования Земли.

Независимый разбор открытых таблиц, проведённый проектом Ciencia a Mordiscos, подтвердил быстрое восстановление FeO и миллиграммы воды. Он же отметил, что на каждое условие в резистивной печи приходился один опыт, а эффективность в двух печах оценивали разными способами. Лабораторные данные сами по себе не доказывают образование океанов на Земле.

Что ещё предстоит выяснить?

Не доказано, что Земля набрала нужную массу именно из пебблов и что атмосфера на всём этом этапе позволяла реакции идти с лабораторной скоростью. Нужно связать кинетику реакции с моделью атмосферы и проследить растворение воды в магме, её уход в космос, потерю водорода и итоговый изотопный и элементный состав. Только после этого можно оценить, какая доля современной воды Земли возникла этим путём.