Земля, скорее всего, получила большую часть своего углерода, азота и других жизненно важных летучих элементов в результате столкновения планет, в результате которого Луна образовалась более чем на 4 человека.4 миллиарда лет назад, согласно новому исследованию петрологов Университета Райса, опубликованному в журнале Science Advances.
«Изучая примитивные метеориты, ученые давно знали, что Земля и другие твердые планеты внутренней Солнечной системы обеднены летучими веществами», – сказал соавтор исследования Радждип Дасгупта. "Но сроки и механизм нестабильной доставки являются предметом горячих споров. Это первый сценарий, который может объяснить время и доставку таким образом, который согласуется со всеми геохимическими данными."
Доказательства были собраны в результате сочетания экспериментов при высоких температурах и высоком давлении в лаборатории Дасгупты, которая специализируется на изучении геохимических реакций, происходящих глубоко внутри планеты под воздействием сильной жары и давления.
В серии экспериментов ведущий автор исследования и аспирант Даманвир Гревал собрал доказательства, чтобы проверить давнюю теорию о том, что летучие вещества Земли прибыли в результате столкновения с зародышевой планетой, имеющей богатое серой ядро.
Содержание серы в ядре планеты-донора имеет значение из-за загадочного множества экспериментальных данных об углероде, азоте и сере, которые существуют во всех частях Земли, кроме ядра.
«Ядро не взаимодействует с остальной частью Земли, но все, что находится над ним, мантия, кора, гидросфера и атмосфера – все взаимосвязано», – сказал Гревал. "Материальные циклы между ними."
Одной из давних идей о том, как на Землю поступают летучие вещества, была теория «поздней фанеры», согласно которой метеориты, богатые летучими веществами, оставшиеся куски первичной материи из внешней части Солнечной системы, прибыли после того, как сформировалось ядро Земли. И хотя изотопные сигнатуры летучих веществ Земли совпадают с этими первичными объектами, известными как углеродистые хондриты, элементное соотношение углерода и азота отсутствует.
Неосновной материал Земли, который геологи называют основной силикатной землей, содержит около 40 частей углерода на каждую часть азота, что примерно вдвое превышает соотношение 20-1, наблюдаемое в углеродистых хондритах.
Эксперименты Grewal, имитирующие высокие давления и температуры во время формирования ядра, проверяли идею о том, что богатое серой планетное ядро может исключать углерод или азот, или и то, и другое, оставляя гораздо большие доли этих элементов в массивном силикате по сравнению с Землей.
В серии испытаний при различных температурах и давлениях Grewal проверил, сколько углерода и азота попало в активную зону в трех сценариях: без серы, 10 процентов серы и 25 процентов серы.
«Азот практически не пострадал», – сказал он. «Он оставался растворимым в сплавах по сравнению с силикатами, и его начали исключать из активной зоны только при самой высокой концентрации серы."
Углерод, напротив, был значительно менее растворим в сплавах с промежуточными концентрациями серы, а богатые серой сплавы потребляли примерно в 10 раз меньше углерода по весу, чем сплавы без серы.
Используя эту информацию, наряду с известными соотношениями и концентрациями элементов как на Земле, так и во внеземных телах, доктор Дасгупта, Гревал и Райс, доктор наук, Ченгуан Сун разработал компьютерное моделирование, чтобы найти наиболее вероятный сценарий, приводящий к возникновению летучих веществ на Земле.
Чтобы найти ответ, нужно было варьировать начальные условия, прогнать около 1 миллиарда сценариев и сравнить их с известными условиями в Солнечной системе сегодня.
«Мы обнаружили, что все доказательства – изотопные сигнатуры, соотношение углерода и азота и общие количества углерода, азота и серы в массиве силиката Земли – согласуются с воздействием формирования луны с участием летучих веществ, Планета размером с Марс с богатым серой ядром, – сказал Гревал.
Дасгупта, главный исследователь проекта CLEVER Planets, финансируемого НАСА, который изучает, как жизненно важные элементы могут собираться вместе на далеких каменистых планетах, сказал, что лучшее понимание происхождения жизненно важных элементов Земли имеет последствия за пределами нашей солнечной системы.
«Это исследование предполагает, что каменистая планета, похожая на Землю, имеет больше шансов получить жизненно важные элементы, если она формируется и растет в результате гигантских столкновений с планетами, которые взяли образцы различных строительных блоков, возможно, из разных частей протопланетного диска», – сказал Дасгупта.
«Это снимает некоторые граничные условия», – сказал он. "Это показывает, что жизненно важные летучие вещества могут достигать поверхностных слоев планеты, даже если они были произведены на планетных телах, которые претерпели формирование ядра в очень разных условиях."
Дасгупта сказал, что не похоже, что объемный силикат Земли сам по себе мог обеспечить жизненно важный изменчивый бюджет, который произвел нашу биосферу, атмосферу и гидросферу.
"Это означает, что мы можем расширить наш поиск путей, которые приводят к тому, что летучие элементы объединяются на планете, чтобы поддерживать жизнь в том виде, в каком мы ее знаем."