Поглощением протопланеты с большим содержанием серы можно объяснить две давние загадки в истории формирования Земли.
В младенчестве Земля могла поглотить планету, похожую на Меркурий, но намного больше. Этим ранним завтраком можно объяснить загадочный состав земных слоев, и это же могло быть причиной возникновения земного магнетизма, благодаря которому на нашей планете возникла и существует жизнь, пишет Smithsonian.
"Нам кажется, мы можем одним выстрелом убить двух зайцев", - говорит геохимик из Оксфордского университета Бернард Вуд (Bernard Wood), который на днях выдвинул эту идею в журнале Nature.
Кажется невероятным, что в 2015 году мы так пока и не знаем, каким образом сформировался наш мир. Но задумайтесь, насколько трудно заглянуть в его внутренности. Самый долгий и самый трудный процесс бурения так и не позволил пока пробраться через внешнюю кору Земли.
Естественные каналы раскаленных пород помогают нам, вынося на поверхность вещества из глубокого слоя мантии и давая таким образом нам возможность для их изучения. Но даже эти каналы длиной в сотни километров слишком мелки, если задуматься о том, что центр планеты лежит у нас под ногами на глубине шести тысяч километров.
Поэтому воссоздание истории Земли немного напоминает попытку догадаться о том, как пекли торт, если попробовать его глазурь и несколько случайных крошек. Налицо широкий простор для новых идей и исследований.
"Сейчас очень интересное время для таких занятий, - говорит геохимик Ричард Карлсон (Richard Carlson) из вашингтонского Института Карнеги. - Из исследований глубин Земли появляется много фактов, которые мы не очень хорошо понимаем".
Традиционная теория о формировании Земли начинается со слипания космических обломков. Глыбы, похожие на твердые метеориты, которые продолжают сыпаться на нас сверху по сей день, соединялись друг с другом, формируя куски все большего размера. Сжимаемая, бомбардируемая и нагревающаяся куча обломков и мусора в итоге расплавилась, а затем остыла, медленно формируя слои на протяжении миллиардов лет.
Изученные в 1980-х годах геологические крошки помогли подтвердить данную теорию. За исключением некоторых металлов типа железа, большая часть которого предположительно опустилась в центр Земли, земная порода, похоже, состоит из тех же веществ, что и каменные метеориты с хондритовой структурой.
Но примерно десять лет назад Карлсон нашел повод для сомнений, когда сравнил земные породы и космические при помощи более совершенных приборов. Его коллектив исследовал два редких элемента с необычными названиями и магнетическими свойствами: это неодимий, входящий в состав магнитов, используемых в гибридных автомобилях и больших ветряных турбинах, и самарий, который часто применяют в магнитах наушников. Ученые обнаружили, что в земных образцах содержится меньше неодимия по отношению к самарию, чем в хондритовых метеоритах.
Такое маленькое расхождение в несколько процентов было трудно объяснить. Возможно, предположил Карлсон, Земля в процессе остывания формировала слои быстрее, чем мы думали ранее, не за миллиарды лет, а за десятки миллионов. Верхний слой, который образовался быстро, истощил свои запасы ниодимия, который опускался вниз, прячась глубоко в мантии. Но никто так и не нашел доказательств существования такого тайного резервуара.
Трудно объяснить упорное стремление ниодимия оставаться в глубине, учитывая то, что мантия бурлит как кипящий суп, часто выбрасывая свое содержимое на поверхность, когда создает вулканы. А если Луна появилась, когда в Землю врезалось какое-то планетарное тело, как думают многие, то в результате плавления от столкновения запас ниодимия должен был снова смешаться с мантией.
Вместо того, чтобы пытаться объяснить исчезновение ниодимия, вторая группа ученых предложила избавиться от этой идеи. Они представили себе земную кору, обогащенную ниодимием, которая вырастала на хондритовых породах, ставших основой состава Земли. Столкновения между этими телами должны были снять значительную часть внешнего слоя, из-за чего количество ниодимия уменьшилось.
Но в такой точке зрения тоже есть свои проблемы. Пока не найдено ни одного метеорита, состав которого похож на обломки эрозии. Кроме того, эта содранная оболочка должна была забрать с собой значительную часть земного тепла. Уран, торий и прочие радиоактивные элементы, которые, как нам известно, нагревают нашу планету, также должны были оказаться в содранном слое.
"Около 40% тепловыделяющих элементов Земли должны были уйти в космос", - говорит геохимик из Австралийского национального университета Иэн Кэмпбелл (Ian Campbell).
Надеясь объяснить присутствие этих критических элементов, Вуд решил узнать химический состав Земли в ее молодости. Вдохновение он черпал в одной из наиболее странных планет нашей солнечной системы - в Меркурии.
По своему химическому составу ближайшая к солнцу планета это адское место, где полно серы. Как молодая Земля могла формировать слои, если она была больше похожа на Меркурий?
Чтобы ответить на этот вопрос, Вуд добавил серу к смеси элементов, которые должны были имитировать состав примитивной Земли. Он варил макеты планет при высокой температуре, равной температуре горения реактивного топлива, а затем бил их поршнем под давлением, в 15 000 раз превосходящем давление в обычной скороварке.
Насытившись серой, эти миниатюрные прото-миры прятали неодимий, формируя свои слои. Но прятали они его не в своих мантиях, а в ядре. Навечно застрявший в ядре ниодимий мог объяснить аномалию, о которой думал Карлсон. Дополнительный объем серы мог попасть на Землю вместе с небесным телом типа Меркурия, которое столкнулось с формировавшейся Землей на раннем этапе ее существования. Вуд предположил, что это же тело сформировало Луну.
"Нам понадобилось бы тело размером 20-40% от размера Земли", - говорит он. Возможно также, что Земля в самом начале формировалась из ядра, но состоящего не из хондритов, а из другого космического мусора с большим содержанием серы. В любом случае, такой космический сценарий мог создать условия для возникновения жизни на Земле.
Дело в том, что сера должна была помочь вовлечь в земное ядро уран и торий. Дополнительное тепло от этих радиоактивных элементов помогло перемешать наружную часть ядра, и такое активное движение расплавленного металла могло породить потоки, которые в свою очередь создают земное магнитное поле.
Без магнетизма морские черепахи и капитаны морских судов не могли бы ориентироваться - и даже существовать. Жизнь на поверхности планеты была бы невозможна без защиты, которую это поле создает от выстреливаемых Солнцем частиц большой энергии.
Коллеги Вудса называют его теорию весьма разумной. Но она отнюдь не безусловна и исчерпывающа, как и другие истории о возникновении Земли, написанные в последние годы. Во-первых, те значения температуры и давления, которых добились ученые в ходе эксперимента, хоть и являются чрезвычайно высокими, но им далеко до условий, существовавших внутри прото-Земли. Во-вторых, исследования закономерностей и мест землетрясений внутри нашей планеты помогли определить пределы веса ядра. Если в центре Земли имеется большое количество серы, значит, ядро находится в опасной близости к этим пределам.
Чтобы привести дополнительные доводы в защиту своей точки зрения, Вуд планирует поискать в периодической таблице другие элементы, чье таинственное изобилие можно объяснить добавлением серы к первичной смеси. С учетом истории исследований в этой сфере, ему придется очень сильно потрудиться, чтобы убедить скептиков типа геохимика Билла Макдоноу (Bill McDonough), работающего в Мэрилендском университете.
"Мне кажется, что шансов на истинность этой гипотезы гораздо меньше 50%", - говорит он.