Reacțiile chimice de pe Pământul timpuriu ar putea să-i fi modelat oceanul – Ars Technica

Apa a făcut Pământul ceea ce este – o planetă cunoscută pentru oceanele sale albastre. Apa formează Pământul prin eroziune și este esențială pentru capacitatea Pământului de a susține viața. Dar ne este greu să înțelegem cum a ajuns Pământul cu toată acea apă, deoarece blocurile care au creat-o probabil s-au uscat, iar coliziunile care au transformat aceste blocuri de construcție într-o planetă ar fi trebuit să împingă orice apă de suprafață în spațiu. .

Au fost propuse diverse mijloace de livrare a apei către Pământ după formarea acesteia. Dar un nou studiu preia informațiile obținute din examinarea exoplanetelor și le aplică pe Pământ. Rezultatele indică faptul că reacțiile chimice care ar fi avut loc în timpul formării Pământului ar fi produs suficientă apă pentru a umple oceanele lumii. Și ca un beneficiu secundar, modelul explică densitatea oarecum ciudată a nucleului Pământului.

impermeabil

Pământul pare să fi fost creat în primul rând din materiale din sistemul solar interior. Nu numai că acel material a fost la locul potrivit, dar materialul din asteroizii din regiune a oferit o potrivire bună în ceea ce privește compozițiile lor elementare și izotopice. Dar acest material este și foarte uscat. Aceasta nu este o surpriză. Temperaturile din această regiune ar fi împiedicat condensarea apei într-un solid, deoarece poate exista în sistemul solar, dincolo de un punct cunoscut sub numele de „linia de gheață” a apei.

Orice apă din spațiu s-ar fi pierdut, deoarece se crede că procesul de construire a planetei a avut loc prin ciocniri între corpuri mici, corpurile mai mari crescând treptat pe măsură ce corpurile mai mici continuau să se ciocnească de ele. O mare parte din apa din aceste obiecte s-ar evapora și ar putea fi pierdută în spațiu.

Dar trei cercetători (Edward Young, Anat Shahar și Hilke Schlichting) s-au concentrat asupra unui factor suplimentar care ar fi putut fi prezent în timpul formării sistemului solar: hidrogenul. Se crede că hidrogenul este prezent în cantități mari în perioada timpurie a formării planetei, dar este apoi împins de radiația eliberată odată ce steaua centrală se aprinde. În sistemul nostru solar, o parte a fost capturată de planetele exterioare înainte de a fi pierdută. Dar planetele noastre interioare par să se fi format cu puțin sau deloc element la începutul istoriei lor.

Dar o privire asupra exoplanetelor sugerează că aceasta nu este o soartă inevitabilă. Am găsit câteva planete super-stâncoase cărora par să lipsească, de asemenea, atmosfere bogate în hidrogen. Dar există un decalaj de aproximativ două ori mai mare decât raza Pământului, unde vedem o mulțime de tineri Neptun, care pare să fi păstrat o atmosferă groasă, probabil bogată în hidrogen. Acest lucru a condus la sugestia că toate planetele stâncoase încep într-un mediu bogat în hidrogen și formează primele atmosfere din acesta. Dar sub o anumită dimensiune, acest hidrogen se pierde mai târziu în istoria lor. Orice atmosferă prezentă pe aceste planete este probabil rezultatul formării secundare.

Luând asta la concluzia sa logică, este posibil ca Pământul să fi început și cu o atmosferă bogată în hidrogen. Prin urmare, cercetătorii implicați în noul studiu au decis să analizeze care ar putea fi consecințele acestui scenariu.

Chimie planetară

Pentru a explora această idee, cercetătorii au modelat în esență un reactor chimic uriaș plin cu majoritatea componentelor Pământului timpuriu și extins la dimensiunea unui precursor mare al Pământului (jumătate din dimensiunea Pământului actual). Aceasta include lucruri precum oxizi de fier, sodiu, diverși silicați, dioxid de carbon, metan, oxigen și multe altele. Toate acestea au fost plasate sub o atmosferă bogată în hidrogen și încălzite pentru a reflecta oceanele de magmă din ciocnirile repetate care au avut loc în timpul formării planetei.

Această perioadă a durat probabil zeci de milioane de ani, în parte pentru că atmosferele de hidrogen tind să rețină foarte bine căldura (pot acționa ca un gaz cu efect de seră). Acest lucru oferă reacțiilor chimice care au loc – dintre care 18 cercetătorii le-au urmărit – timp pentru a ajunge la echilibru și suficient timp pentru ca diferitele materiale din interiorul planetei să se despartă în funcție de densitate.

Unul dintre lucrurile care se întâmplă este că multe elemente sunt încorporate în miezul de fier, inclusiv oxigenul, siliciul și hidrogenul. Deoarece toate acestea sunt mai puțin dense decât fierul, acest lucru are efectul de a face miezul mai puțin dens decât ar fi dacă ar fi fier pur – ceea ce este adevărat pentru Pământul actual.

În unele reacții, fuziunea hidrogenului implică deplasarea oxigenului, iar produsul secundar al acestor reacții este apa. În condițiile explorate aici, reacțiile produc același volum ca și în oceanele actuale ale Pământului. „Chiar dacă rocile din sistemul solar interior sunt complet uscate”, au scris cercetătorii, reacțiile dintre H.₂ Atmosfera și oceanele de magmă vor genera cantități abundente de H₂O. Alte surse de H₂O este posibil, dar nu este necesar.

limite de modelare

În plus, simularea funcționează cu o gamă largă de temperaturi – este nevoie de suficientă căldură pentru a menține topirea planetei în timp ce procesele descrise aici ating echilibrul. Funcționează și pentru diferite dimensiuni de precursori, dar nu reușește dacă precursorul este prea mic. Aceasta corespunde uscăciunii extreme a lui Marte și Mercur. Variabila primară se termină cu cantitatea de apă produsă; Dacă mai mult hidrogen ar ajunge în miez, s-ar putea crea cu ușurință o lume de apă de trei ori mai mare decât oceanele de astăzi.

Deși modelul este robust la multe schimbări în condițiile inițiale, este limitat prin faptul că nu este o imagine completă a chimiei Pământului timpuriu. Este demn de remarcat faptul că sulful și azotul au jucat un rol major în chimia Pământului.

Dar marele decalaj în model este ceea ce se întâmplă după ce se formează apa. Deoarece există un ocean de magmă, acesta va ajunge în atmosferă, unde poate fi despărțit de radiația solară și pierdut dacă hidrogenul din sistemul solar se disipă într-adevăr. Același lucru este valabil și pentru orice efecte secundare care au încălzit planeta, cum ar fi impactul gigant care a modelat luna. Dacă mai există suficient hidrogen, aceasta nu este o problemă pentru că apa îl poate repara. Cercetătorii citează cercetări care arată că o atmosferă bogată în apă ar putea supraviețui chiar și unui impact masiv. În cele din urmă, vă puteți imagina condiții în care a fost produs un exces inițial de apă, dar s-a pierdut suficient prin aceste procese pentru a lăsa Pământul în starea sa actuală.

Deci, în timp ce producerea apei nu necesită o reglare fină a condițiilor, reținerea acesteia poate.

Dar implicațiile pentru lumile din afara noastră par puțin mai mari. Aceste rezultate indică faptul că o gamă largă de condiții inițiale trebuie să fi produs apă în timpul formării planetelor stâncoase. Prin urmare, atunci când ne gândim la planete din exosisteme, ar putea fi mai discutabil să ne întrebăm dacă au experimentat condiții care le-ar fi făcut să piardă apă decât să întrebăm dacă ar fi putut avea vreuna.

Natura, 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-05823-0 (despre DOI).