Вода на Земле появилась благодаря "несуществующему" минералу

Вода является одним из важнейших химических соединений, определяющих облик нашей планеты и, конечно же, жизнь на ней. Наличие воды неразрывно связано с возможностью зарождения жизни, тектоникой плит и климатом. Именно поэтому, определяя обитаемость похожих на Землю планет, астрономы в первую очередь выясняют, присутствуют ли на ней запасы жидкой воды.

Поясним, что океаны, покрывающие 70% поверхности нашей планеты, делают климат более стабильным, что влияет на выживаемость видов.

Наличие воды в земных недрах способствует размягчению горных пород и определяет тектонику плит. Это в свою очередь обеспечивает движение литосферных плит, что определяет форму континентов, отвечает за вулканическую активность и землетрясения.

Однако несмотря на такое огромное значение воды в судьбе планеты, учёные до сих пор не могут сказать точно, откуда она взялась на Земле.

Теперь же международная группа исследователей из России и Китая предложила оригинальное объяснение этой геологической загадке.

​Геофизическое расследование: учёные выяснили, куда подевалась огромная часть земной коры читайте также

Исследовательская группа открыла несуществующее сегодня соединение — гидросиликат магния. Он был сокрыт в недрах Земли со времён её формирования, и "приберёг" воду в эпоху катастрофических катаклизмов, сотрясавших планету в первые миллионы лет её существования, считают учёные.

И всё благодаря правильно сформулированному вопросу — исследователи знают, что в этом заключается большая доля успеха.

"Вопросом, [откуда появилась вода на Земле], люди задаются регулярно, но с такого ракурса на эту проблему никто не смотрел. Никому особо не приходило в голову, что раньше были минералы, которых сейчас нет. Ставился противоположный вопрос: какие минералы появлялись в ходе развития Земли. […] А какого рода исчезнувшие минералы могли каким-то образом предопределить судьбу планеты – такого, мне кажется, никому в голову не приходило", – поделился в эксклюзивном интервью Вести.Ru соавтор исследования Артём Оганов, профессор Сколковского института наук и технологий.

Существует гипотеза, что воду на Землю могли занести кометы, но профессор Оганов считает, что значение этого источника весьма невелико. Дело в том, что изотопный состав воды на Земле и в кометах заметно различается.

Поясним, что изотопами учёные называют атомы одного и того же элемента, отличающиеся друг от друга физическими свойствами. То есть это те же молекулы кислорода и водорода, но с разным количеством нейтронов в атомном ядре.

Но если полагать, что вода не прилетела на Землю из космоса, а взялась из земных недр, встаёт вопрос, как она не испарилась с раскалённой поверхности молодой планеты на ранних этапах её формирования. Такого вещества, которое могло бы сохранить воду в глубинах Земли и высвободить её в более позднюю эпоху, попросту не существует.

Но исследователи из Нанькайского университета под руководством профессора Сяо Дуна (Xiao Dong) в соавторстве с профессором Огановым, кажется, открыли именно такое соединение. Кристаллическая структура гидросиликата магния (Mg₂SiO₅H₂) была предсказана с помощью разработанного Огановым метода под говорящей аббревиатурой USPEX ("Успех").

"Несуществующее соединение" содержит в себе 11% воды и стабильно при крайне высоких температурах и давлении более двух миллионов атмосфер — именно такие условия наблюдаются в ядре Земли.

Однако известно, что ядро Земли состоит в основном из металлов, предположительно, железо-никелевого сплава. Это значит, что в нём нет таких элементов, из которых мог бы получиться гидросиликат магния.

"А вот и нет, ведь никакого ядра тогда не было: на начальном этапе существования Земли у неё ещё не выделилось ядро и её химический состав был однородным по всему объёму. Понадобилось порядка 30 миллионов лет, чтобы железо сконцентрировалось в центре Земли, образовав ядро нашей планеты, и вытеснило оттуда силикаты в мантию", – объясняет Оганов.

Вытесненные из центральной области планеты гидросиликаты оказались в зоне более низкого давления, где они подверглись распаду. Так образовались оксид и силикат магния, из которых сейчас состоит мантия. В ходе того же процесса образовалась и вода, которая постепенно поднималась на поверхность Земли ещё около 100 миллионов лет.

Это объясняет, каким образом запасы воды на планете "пережили" бомбёжку астероидами и даже столкновение с целой планетой.

​Геологи выяснили, когда из воды поднялась почти вся современная суша читайте также

Авторы работы пишут, что никто ранее не рассматривал силикаты при моделировании эволюции земного ядра, потому что сейчас в ядре силикатов нет.

Более того, никто не ожидал, что гидросиликаты могут оказаться стабильны в условиях ядра, ведь считалось, что столь экстремальные температуры и давления "выжимают" воду из всех минералов. Однако точное моделирование материалов с учётом квантовой механики свидетельствует, что такая аналогия не работает, сообщают учёные.

Новая гипотеза возникновения воды, в столь огромных количествах встречающейся на поверхности Земли, будет иметь последствия и для других планет земной группы. К примеру, Марс слишком мал, чтобы давления в его ядре было достаточно для формирования устойчивого гидросиликата магния. Этим можно объяснить, почему на поверхности Красной планеты так мало воды.

Это открытие также позволяет по-новому взглянуть на поиски потенциально обитаемых планет вне Солнечной системы. Чтобы экзопланета была обитаемой, нужен стабильный климат, а для этого там должны одновременно существовать и континенты, и океаны, напоминает профессор Сяо Дун.

"Считалось, что для удовлетворения этому условию массовое содержание воды на планете земного типа, вне зависимости от её размеров, не должно превышать 0,2%. Наши же результаты подталкивают к выводу, что на массивных планетах такого типа — так называемых суперземлях — всё, вероятно, обстоит иначе. Там стабилизирующие гидросиликат магния давления существуют за пределами ядра, и такие планеты могут сколь угодно долго удерживать большие количества воды в мантии. А значит, на суперземлях могут существовать континенты и океаны при куда более высоком содержании воды, чем ожидалось", – объясняет профессор Сяо Дун.

Оганов добавляет, что круг местами неожиданных выводов из новой гипотезы этим не ограничивается. Так, открытие имеет значение даже для понимания магнитосфер планет. Согласно предположениям учёных, при температурах выше 2 000 градусов Цельсия гидросиликат магния должен проводить электричество, а его высокая электропроводность означает, что он вносит вклад в магнитное поле суперземель.

Мы также поинтересовались у профессора Оганова, как образовалась коллаборация с китайскими специалистами. Профессор рассказал, что сотрудничает с китайскими коллегами уже более 10 лет, с тех пор когда Сяо Дун и Сян-Фэн Чжоу проходили обучение в его лаборатории. За годы совместной работы российско-китайская команда учёных опубликовала множество научных статей.

Важное исследование команды было опубликовано в престижном научном издании Physical Review Letters.

Ранее мы писали о том, современные горы могли образоваться из огромных "капель грязи", а также о том, что в прошлом Земля могла быть "космическим пончиком".

Сообщали мы и о том, что учёные уточнили дату столкновения Земли с древней протопланетой.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".