Среди известных планет Земля одна имеет обширные жидкие океаны на своей поверхности, а её суша отмечена озёрами и обширными речными системами. Вода — это жизненная сила биосферы, и без неё Земля была бы просто ещё одним мёртвым миром. Если судить по жизни на Земле, то вода определённо необходима для жизни. Именно поэтому учёных так интересует, откуда на Земле взялась вода.

Долгое время исследователи рассматривали идею о том, что вода прибыла на Землю из других мест Солнечной системы. Протопланетный диск, в котором сформировались планеты, был массивным, и по нему проходила снежная линия. Это воображаемая окружность, определяемая таким расстоянием от Солнца, на котором могут конденсироваться летучие вещества, такие как водяной пар.

Идея заключается в том, что вода может конденсироваться, замерзать, после чего её будут доставлять на Землю астероиды, метеориты или кометы. Астрономы знают, что кометы — это ледяные тела, и появляется всё больше доказательств того, что в астероидах есть вода — либо в замороженном виде, либо запертая в составе минералов. Это «гипотеза позднего покрытия», которая утверждает, что вода попала на Землю после того, как её ядро уже сформировалось.

Однако растущее количество доказательств и моделирование показывают, что эта картина может быть неверной. Новое исследование, опубликованное в журнале The Astrophysical Journal Letters, ставит под сомнение гипотезу «позднего шпона», показывая, что снежная линия может не совсем точно отражать реальность. Вместо единой линии, разделяющей сублимацию воды на манер выключателя, когда по одну сторону снежной линии конденсируется вся вода, а по другую воды вообще нет, появляется более разнообразная реальность.

Исследование называется «Была ли вода на Земле приобретена локально на самых ранних этапах формирования Солнечной системы?». Ведущий автор — Лиза Буатар-Крепо из Университета Гренобль-Альпы во Франции.

«Существует консенсус в отношении того, что молекулярная вода в основном образовалась на пылевых гранулах микрометрового размера в самом начале формирования Солнечной системы, в молекулярном облаке и дозвёздной фазе, где она оставалась замороженной на ледяной мантии, окутывающей гранулы», — объясняют исследователи. Со временем из этих гранул образовались камни, астероиды, кометы и даже каменистые планеты. Но когда Солнце начало светить, условия изменились. Материал в диске протосолнечной туманности нагрелся, и вода сублимировала с поверхности пылевых гранул внутрь, к снежной линии, которая, по сути, является фронтом конденсации воды.

В результате условия внутри линии изменились. Вся вода, которая не была заперта в крупных телах, рассеялась, и воды во внутреннем диске стало мало. Именно там сформировались каменистые планеты. Земля сформировалась из этого «сухого» материала, а значит, вода должна была поступить к нам из-за снежной линии – отсюда и гипотеза позднего покрытия.

Но авторы описывают более размытую линию. Исследование основано на достижениях квантовой химии, которые показывают, что не существует определённой конкретной температуры, при которой вода связывалась бы с гранулами пыли. Вместо чёткой разделительной линии энергия связывания подчиняется гауссову распределению значений.

«В то время как классически используемая снежная линия основывается на единственной температуре конденсации, недавние работы в области квантовой химии показывают, что энергия связывания воды на ледяных гранулах имеет гауссово распределение, что подразумевает постепенную сублимацию воды, а не резкий переход», — пишут авторы. Исследователи рассчитали распределение энергий связи, чтобы понять, как водяной лёд на пылевых гранулах распространялся по протопланетному диску протосолнечной туманности.

Используя распределение различных энергий связывания воды, исследователи установили линию замерзания, которая на самом деле имеет ширину в несколько астрономических единиц. «Принятие распределения энергии связывания воды создаёт не одну снежную линию, внутри которой водяной лёд полностью десорбируется и остаётся „абсолютно сухим“, как часто предполагается, а скорее зону перехода воды, простирающуюся на несколько астрономических единиц», — пишут исследователи.

Всё это произошло очень давно, и, кроме самой Земли, единственное место, где мы можем искать доказательства, — это астероиды и метеориты. Для того чтобы работа исследователей была точной, необходимо, чтобы она дублировала земное содержание воды и соотношение изотопов, а также модели гидратации, наблюдаемые в метеоритах. Хондриты могут оставаться неизменными с первых дней существования Солнечной системы и являются важным доказательством связи с глубоким прошлым.

Исследование показывает, что, хотя основная масса водяного льда десорбируется дальше, чем примерно одна астрономическая единица от Солнца, небольшая часть остаётся прикреплённой к пылевым гранулам внутри этого предела из-за различных энергий связывания. «Эта небольшая доля, от ∼ 0,04 до 2,5 весовых процентов, может полностью объяснить содержание воды на Земле», — пишут авторы. «В свою очередь, земная вода могла быть в основном унаследована от пылевых гранул, которые находились на орбите Земли, без необходимости в миграции извне».

Таким образом, обилие воды на Земле согласуется с результатами исследователей. Но как насчёт хондритов?

«Наша модель также успешно воспроизводит наблюдаемую тенденцию изменения содержания водного эквивалента во всех группах хондритов», — пишут авторы. Несмотря на то, что родительские тела этих хондритов образовались в разное время, их эквивалентное содержание воды «вероятно, представляет собой нижний предел примитивной воды, первоначально включённой в гранулы силикатной пыли — строительные блоки хондритовых матриц», — объясняют они.

«В итоге, в свете вышеизложенных рассуждений, можно предположить, что земная вода была унаследована от ледяных зёрен на орбите Земли, то есть локально», — пишут авторы. Полученные ими результаты также согласуются с идеей о том, что энстатитовые хондриты (ЭХ), редкая разновидность метеоритов, являются строительными блоками Земли. Изотопное соотношение ЭХ сопоставимо с изотопным соотношением земной воды, и исследователи полагают, что они образовались вблизи земной орбиты.

Гипотезу позднего покрытия всегда было сложно объяснить. Как можно было доставить на Землю нужное количество воды в нужное время, не нарушив процесс аккреции планеты? Если Земля постепенно гидратировалась по мере своего формирования, то этот вопрос можно опустить.

С выводами исследователей все же есть некоторые проблемы, и они указывают на них в своей работе. Например, измеренное в настоящее время соотношение тяжёлой воды (дейтерия) и обычной воды на Земле эквивалентно соотношению изначального количества элементов. Но измеренное в настоящее время соотношение может не отражать реальное соотношение элементов из-за «различных процессов, в результате которых вода циркулирует между поверхностью и недрами Земли», — объясняют авторы. Эти процессы могли изменить соотношение.

Исследователи показали, что сублимация водяного льда не обязательно происходит по резко очерченной линии. Напротив, диапазон энергий связи означает, что даже внутри общепринятой снежной линии некоторое количество воды может сохраниться на внутренней стороне камней и крупных гранул. Они также показали, что воды может сохраниться достаточно, чтобы можно было составить основу земных океанов.

«В целом, эти результаты позволяют предположить, что значительная часть воды на Земле могла возникнуть тут же, на месте, не требуя доставки из-за классической снежной линии», — заключают авторы.

Это не будет концом гипотезы позднего покрытия, но если дальнейшие работы подтвердят это исследование, то идея о том, что вода на Земле появилась из других мест и была доставлена кометами и астероидами, станет ещё менее вероятной.