Geovidenskabsfolk opdager en overset kilde til Jordens vand

Hvor kom Jordens globale hav fra? Et team af Arizona State University geoscientists ledet af Peter Buseck, Regents Professor i ASU's School of Earth and Space Exploration (SESE) og School of Molecular Sciences, har fundet et svar i en tidligere forsømt kilde. Teamet har også opdaget, at vores planet indeholder betydeligt mere brint, en fuldmægtig for vand, end forskere tidligere troede.

Så hvor er det? For det meste nede i vores planets kerne, men mere om det på et minut. Det større spørgsmål er, hvorfra alt dette kom fra i første omgang.

"Kometer indeholder mange is, og i teorien kunne have leveret noget vand, "siger Steven Desch, professor i astrofysik i SESE og en af ​​teamforskerne. Asteroider, tilføjer han, er også en kilde, ikke så vandrig, men alligevel rigeligt.

"Men der er en anden måde at tænke på kilder til vand i solsystemets formative dage, "Forklarer Desch." Fordi vand er hydrogen plus ilt, og ilt er rigeligt, enhver brintkilde kunne have tjent som oprindelsen til Jordens vand. "

I begyndelsen

Hydrogengas var den vigtigste ingrediens i soltågen - de gasser og støv, som solen og planeterne dannede sig ud af. Hvis det rigelige brint i stjernetågen kunne kombineres med Jordens stenede materiale, da det dannede sig, det kunne være den ultimative oprindelse for Jordens globale hav.

Jun Wu, hovedforfatteren af ​​det papir, teamet har offentliggjort i Journal of Geophysical Research , er assisterende forskningsprofessor i både SESE og School of Molecular Sciences. Han siger, "Soltågen har fået mindst opmærksomhed blandt eksisterende teorier, selvom det var det dominerende brintreservoir i vores tidlige solsystem. "

Men først, noget geokemisk detektivarbejde.

For at skelne mellem vandkilder, forskere går til isotopkemi, måling af forholdet mellem to slags brint. Næsten alle brintatomer har en kerne, der er en enkelt proton. Men i cirka hver 7., 000 hydrogenatomer, kernen har en neutron ud over protonen. Denne isotop kaldes "tungt brint, "eller deuterium, symboliseret som D.

Forholdet mellem antallet af D -atomer og almindelige H -atomer kaldes D/H -forholdet, og det fungerer som et fingeraftryk for, hvor det brint kom fra. For eksempel, asteroidalt vand har en D/H på omkring 140 dele pr. million (ppm), mens kometvand løber højere, spænder fra 150 ppm til så meget som 300 ppm.

Forskere ved, at Jorden har et globalt hav af vand på sin overflade og omkring to mere oceaner af vand opløst i sine kappe klipper. Det vand har et D/H -forhold på ca. 150 ppm, hvilket gør en asteroidal kilde til et godt match.

Kometer? Med deres højere D/H -forhold, kometer er for det meste ikke gode kilder. Og hvad værre er, D/H for hydrogengas i soltågen var kun 21 ppm, alt for lav til at levere store mængder af Jordens vand. Faktisk, asteroidalt materiale er så godt match, at tidligere forskere har diskonteret de andre kilder.

Men, siger Wu og kolleger, andre faktorer og processer har ændret D/H for Jordens brint, startede tilbage, da planeten først begyndte at danne sig. Wu siger, "Det betyder, at vi ikke bør ignorere den opløste soltålegas."

Koncentrering af brint

Nøglen ligger i en proces, der kombinerer fysik og geokemi, som teamet fandt handlede for at koncentrere brint i kernen, mens den relative mængde deuterium blev øget i Jordens kappe.

Processen begyndte ganske tidligt, da Solens planeter begyndte at danne og vokse gennem fusionen af ​​primitive byggesten kaldet planetariske embryoner. Disse objekter i størrelsen Moon-to-Mars voksede meget hurtigt i det tidlige solsystem, kolliderende og tiltrængende materiale fra soltågen.

Inden for embryonerne, henfaldende radioaktive elementer smeltet jern, som greb asteroidalt brint og sank for at danne en kerne. Det største embryo oplevede kollisionenergi, der smeltede hele overfladen, gør, hvad forskere kalder et magmahav. Smeltet jern i magma snappede brint ud af den primitive atmosfære, der udviklede sig, som stammer fra soltågen. Jernet bar dette brint, sammen med brint fra andre kilder, ned i embryoets kappe. Til sidst blev hydrogenet koncentreret i embryoets kerne.

I mellemtiden foregik en anden vigtig proces mellem smeltet jern og brint. Deuteriumatomer (D) kan ikke lide jern så meget som deres H -modstykker, hvilket forårsager en let berigelse af H i det smeltede jern og efterlader relativt mere D bag i magmaen. På denne måde, kernen udviklede gradvist et lavere D/H -forhold end silikatkappen, som dannede sig efter magmahavet var afkølet.

Alt dette var fase et.

Fase to fulgte, da embryoner kolliderede og fusionerede til at blive proto-jorden. Endnu en gang udviklede et magmahav sig på overfladen, og endnu en gang, rester af jern og hydrogen kan have gennemgået lignende processer som i trin et, dermed fuldender leveringen af ​​de to elementer til kernen af ​​proto-jorden.

Wu tilføjer, "Udover brintet, som embryonerne fangede, vi forventer, at de også fangede noget kulstof, nitrogen, og ædelgasser fra den tidlige soltåge. Disse skulle have efterladt nogle isotopspor i kemien i de dybeste sten, som vi kan kigge efter. "

Teamet modellerede processen og kontrollerede dens forudsigelser mod prøver af kappe, som er sjældne i dag på Jordens overflade.

"Vi beregnede, hvor meget hydrogen opløst i disse krops kapper kunne have havnet i deres kerner, "siger Desch." Derefter sammenlignede vi dette med nylige målinger af D/H -forholdet i prøver fra Jordens dybe kappe. "Dette lod teamet sætte grænser for, hvor meget brint der er i Jordens kerne og kappe.

"Slutresultatet, "siger Desch, "er, at Jorden sandsynligvis dannes med syv eller otte globale oceaners brintværdi. Størstedelen af ​​dette stammer faktisk fra asteroide kilder. Men et par tiendedele af et havs brintværdi kom fra soltågen."

Tilføjelse af mængderne i cachelagret flere steder, Wu siger, "Vores planet skjuler størstedelen af ​​dets brint inde, med omtrent to globale oceaner værd i kappen, fire til fem i kernen, og selvfølgelig, et globalt hav på overfladen. "

Ikke kun for vores solsystem

Det nye fund, siger teamet, passer fint ind i aktuelle teorier om, hvordan Solen og planeter dannede sig. Det har også konsekvenser for beboelige planeter ud over solsystemet. Astronomer har opdaget mere end 3, 800 planeter, der kredser om andre stjerner, og mange ser ud til at være stenede kroppe, der ikke er meget forskellige fra vores egne.

Mange af disse exoplaneter kunne have dannet sig langt fra de zoner, hvor vandrige asteroider og andre byggesten kunne være opstået. Alligevel kunne de stadig have opsamlet hydrogengas fra deres egne stjerners soltåger på den måde, som Jorden gjorde.

Holdet slutter, "Vores resultater tyder på, at dannelse af vand sandsynligvis er uundgåelig på tilstrækkeligt store stenede planeter i ekstrasolare systemer."