В зачаточном состоянии Земля могла поглотить планету, похожую на Меркурий, но гораздо больше. Эта ранняя трапеза может объяснить загадочную структуру слоев Земли и объяснить магнитное поле, которое делает жизнь здесь возможной.
Связанный контент
- Смиренный магний может стать источником магнитного поля Земли
- Магнитное поле Земли, по крайней мере, четыре миллиарда лет
- Металлический дождь мог объяснить, почему Земля сделана из разных материалов, чем луна
«Мы думаем, что сможем ударить этих двух птиц одним камнем», - говорит Бернард Вуд, геохимик из Оксфордского университета, который сообщил об этой идее на этой неделе в журнале Nature.
Если кажется невероятным, что в 2015 году мы до сих пор не знаем, как сформировался наш мир, подумайте, как трудно заглянуть в его интерьер. Самые длинные, самые твердые, но все же сделанные сверла не могут выходить за пределы тонкой внешней коры Земли. Природные каналы горячего камня помогают доставить материалы на поверхность из более глубокого слоя мантии, чтобы мы могли их изучить, но даже эти колонны длиной в сотни миль кажутся поверхностными, когда мы думаем о центре планеты, находящемся более чем на 3700 миль ниже нас. Следовательно, составлять историю Земли - все равно что пытаться угадать, как пирог испекся, попробовав глазурь и, возможно, несколько крошечных крошек. Там еще много места для новых доказательств и новых идей.
«Это захватывающее время, чтобы быть в поле», - говорит геохимик Ричард Карлсон из Вашингтонского института Карнеги. «Из исследований глубин Земли выходит много вещей, которые мы не очень хорошо понимаем».
Традиционное представление о том, как Земля объединилась, начинается с скопления космического мусора. Скалы, напоминающие каменные метеоры, которые до сих пор падают на нас сегодня, слились во все более крупные куски. Сжатый, разбитый и нагретый, растущая куча щебня в конечном итоге расплавилась, а затем остыла, медленно формируя слои в течение миллиардов лет. Геологические крошки, изученные в 1980-х годах, помогли подтвердить эту историю. За исключением некоторых металлов, таких как железо, большинство из которых, как считается, утонули в ядре Земли, земные породы, по-видимому, были сделаны из почти того же материала, что и хондриты, особая группа каменистых метеоров.
Затем, около десяти лет назад, Карлсон нашел место для сомнений, сравнив земные и космические камни, используя лучшие инструменты. Его команда исследовала два редких элемента с необычными именами и магнитными именами: неодим, ингредиент в магнитах, используемых в гибридных автомобилях и больших ветряных турбинах, и самарий, распространенный в магнитах для наушников. Исследователи обнаружили, что земные образцы содержат меньше неодима по сравнению с самарием, чем хондриты.
Это небольшое несоответствие, составляющее всего несколько процентов, все еще трудно объяснить. Возможно, предположил Карлсон, охлаждающая Земля формировала слои гораздо быстрее, чем считалось ранее, за десятки миллионов лет вместо миллиардов. Верхний слой, который образовался быстро, был бы обеднен неодимом, уравновешен нижним слоем, который скрывал недостающий элемент глубоко в мантии. Однако никаких доказательств этого секретного резервуара обнаружено не было. Трудно объяснить его склонность к упрямому застреванию на глубине, учитывая, что мантии взбивают, как кипящий суп, и часто выносят ингредиенты на поверхность, создавая вулканы. И если луна родилась, когда планетное тело врезалось в Землю, как принято считать, таяние, вызванное этим воздействием, должно было смешать резервуар обратно в мантию.
Вместо того, чтобы пытаться объяснить скрытый неодим, вторая группа ученых придумала способ избавиться от него. Они представили себе обогащенную неодимом кору, растущую на хондритных породах, из которых была создана Земля. Столкновения между этими объектами могли бы соскоблить большую часть этого внешнего слоя, делая неодим более редким.
Но есть проблемы и с этой точкой зрения. Метеориты никогда не были найдены с составами, похожими на разрушенный мусор. Кроме того, эта отслоенная кожа забрала бы с собой большую часть земного тепла. Уран, торий и другие радиоактивные материалы, которые, как мы знаем, ответственны за тепло нашей планеты, также оказались бы в удаленном слое.
«Около 40 процентов тепловыделяющих элементов Земли будут потеряны в космосе», - говорит Иан Кэмпбелл, геохимик из Австралийского национального университета.
В надежде удержать эти критические элементы, Вуд решил настроить химию Земли в ее молодости. Он получил вдохновение от одной из странных планет нашей солнечной системы: Меркурия. С химической точки зрения, ближайшая к Солнцу планета - это адское место, наполненное настоящим серным камнем, известным современной науке как сера. Как бы сформировались слои на молодой Земле, если бы планета была больше похожа на Меркурий? Чтобы ответить на этот вопрос, Вуд добавил серу в смеси элементов, предназначенных для имитации состава примитивной Земли. Он готовил ложные планеты при таких высоких температурах, как сжигание реактивного топлива, и стучал по ним поршнем до давления, примерно в 15 000 раз превышающего давление в обычной бытовой скороварке.
Дозированные достаточным количеством серы, миниатюрные прото-миры погребали неодим по мере того, как они формировали слои - не в своих искусственных оболочках, а еще глубже в своих искусственных ядрах. Неодим, захваченный в ядре навсегда, может объяснить аномалию Карлсона. Эта дополнительная сера могла быть получена от объекта, подобного Меркурию, который рано ударил по растущей Земле, возможно, даже от того же самого объекта, который, как считается, образовал Луну, предполагает Вуд.
«Нам понадобится тело размером от 20 до 40 процентов от размера Земли». Также возможно, что Земля изначально росла из ядра, сделанного не из хондритов, а из другого космического мусора, богатого серой. В любом случае, эта космическая сюжетная линия могла бы подготовить почву для подъема жизни на Земле. Это потому, что сера также помогла бы втянуть уран и торий в ядро. Дополнительное тепло от этих радиоактивных элементов может помочь взбить внешнюю часть ядра, и считается, что это энергичное движение расплавленного металла вызывает токи, которые, в свою очередь, генерируют магнитное поле Земли.
Иллюстрация (не в масштабе) Солнца и его взаимодействия с магнитным полем Земли. (НАСА Центр космических полетов имени Годдарда) Без магнетизма морские черепахи и морские капитаны не смогли бы ориентироваться или даже существовать. Жизнь не была бы возможна на поверхности планеты без защиты, которую поле обеспечивает от высокоэнергетических частиц, вылетающих из Солнца.
Коллеги Вуда описывают его теорию как правдоподобную. Но, как и другие истории происхождения, которые были написаны в последние годы о Земле, это далеко не окончательное. С одной стороны, температуры и давления, достигнутые в эксперименте, какими бы экстремальными они ни были, далеко не соответствовали условиям внутри прото-Земли. С другой стороны, исследования того, как землетрясения проходят через внутреннюю часть планеты, наложили ограничения на то, насколько легким может быть ядро, а сброс большого количества серы в центр планеты может привести к тому, что ядро окажется слишком близко к этим пределам.
Чтобы укрепить свою позицию, Вуд планирует изучить периодическую таблицу на предмет других элементов с таинственным изобилием, которое можно объяснить добавлением серы в изначальную смесь. Учитывая историю поля, потребуется много усилий, чтобы убедить скептиков, таких как Билл Макдоно, геохимик из Университета Мэриленда. «Я полагаю, что эта идея намного ниже 50-процентной вероятности быть правым», - говорит он .
