地球初期の化学反応が海を形作った可能性 – Ars Technica

青い海で知られる惑星である地球は、水によって生まれました。 水は浸食によって地球を形成し、生命を維持する地球の能力に不可欠です。 しかし、地球を作った構成要素が枯渇した可能性が高く、これらの構成要素を惑星に変えた衝突により、表面の水が宇宙に押し出されたはずであるため、地球がどのようにしてそのすべての水になったのかを理解するのは困難です. .

地球が形成された後、地球に水を届けるさまざまな手段が提案されています。 しかし、新しい研究では、系外惑星の調査から収集された情報を取得し、それを地球に適用しています。 この結果は、地球の形成中に起こったであろう化学反応によって、世界の海を満たすのに十分な水が生成されたことを示しています。 副次的な利点として、モデルは地球のコアのやや奇妙な密度を説明しています。

防水

地球は、主に太陽系内部の物質から作られたようです。 その物質が適切な場所にあっただけでなく、その地域の小惑星の物質は、元素組成と同位体組成の点でよく一致していました。 しかし、この素材は非常に乾燥しています。 これは驚くべきことではありません。 この地域の温度は、水の「アイスライン」として知られるポイントを超えて、太陽系に存在する可能性があるため、水が凝縮して固体になることを妨げていたでしょう.

惑星形成プロセスは小さな天体同士の衝突によって発生し、小さな天体が衝突し続けるにつれて大きな天体が徐々に大きくなっていったと考えられているため、宇宙の水は失われていたでしょう。 これらの物体に含まれる水の多くは蒸発し、宇宙空間に失われる可能性があります。

しかし、3 人の研究者 (Edward Young、Anat Shahar、および Hilke Schlichting) は、太陽系の形成中に存在した可能性のある追加の要因である水素に注目しました。 水素は、惑星形成の初期に大量に存在すると考えられていますが、中心星が発火すると放出される放射線によって押し出されます。 私たちの太陽系では、その一部は失われる前に外惑星に捕獲されました。 しかし、私たちの内惑星は、歴史の早い段階で、ほとんどまたはまったく要素なしで形成されたようです.

しかし、系外惑星を見ると、これは避けられない運命ではないことがわかります。 水素が豊富な大気が不足しているように見える、いくつかの超岩石惑星を発見しました。 しかし、地球の半径の約 2 倍のギャップがあり、多くの若い海王星が見られます。海王星は、おそらく水素に富む厚い大気を保持しているようです。 これは、すべての岩石惑星が水素に富む環境で始まり、そこから最初の大気を形成するという示唆につながっています. しかし、一定のサイズを下回ると、この水素は歴史の後半で失われます。 これらの惑星に存在する大気は、おそらく二次形成の結果です。

それを論理的な結論に導くと、地球も水素に富んだ大気で始まった可能性があります。 したがって、新しい研究に関与した研究者は、このシナリオの結果がどうなるかを調べることにしました。

惑星化学

このアイデアを探求するために、研究者たちは基本的に、初期の地球のほとんどの構成要素で満たされた巨大な化学反応炉をモデル化し、大きな地球前駆体のサイズ (現在の地球の半分のサイズ) に拡張しました。 これには、鉄、ナトリウム、さまざまなケイ酸塩、二酸化炭素、メタン、酸素などの酸化物が含まれます。 これらはすべて、水素が豊富な大気の下に置かれ、加熱されて、惑星形成中に発生した繰り返しの衝突からのマグマの海を反映しています。

この期間はおそらく数千万年続いた可能性があり、その理由の 1 つは、水素大気が非常によく熱を保持する傾向があるためです (水素は温室効果ガスとして作用する可能性があります)。 これにより、発生中の化学反応 (研究者が追跡したうちの 18 件) が平衡に達するまでの時間と、惑星内部のさまざまな物質が密度に基づいて分裂するのに十分な時間が与えられます。

起こることの 1 つは、酸素、ケイ素、水素など、多くの元素が鉄のコアに取り込まれることです。 これらはすべて鉄よりも密度が低いため、コアが純粋な鉄の場合よりも密度が低くなるという効果があります。これは実際の地球に当てはまります。

一部の反応では、水素の融合は酸素の置換を伴い、これらの反応の副産物は水です。 ここで調査された条件下では、反応は地球の現在の海で見られるのと同じ量を生成します。 「たとえ太陽系内部の岩石が完全に乾いていたとしても」と研究者たちは書いている、H.₂ 大気とマグマの海は豊富な量のHを生成します₂O. Hのその他の供給源₂O は可能ですが、必須ではありません。

モデリングの制限

プラス面として、シミュレーションは幅広い温度範囲で機能します。必要なのは、ここで説明したプロセスが平衡に達する間、惑星を融解し続けるのに十分な熱だけです。 異なるサイズの前駆体でも機能しますが、前駆体が小さすぎると失敗します。 これは、火星と水星の極端な乾燥に対応しています。 主な変数は、生成される水の量で終わります。 より多くの水素がコアに到達した場合、今日の海の 3 倍の大きさの水の世界を簡単に作成できます。

このモデルは、初期条件の多くの変化に対してロバストですが、初期の地球の化学的性質を完全に把握していないという制限があります。 硫黄と窒素が地球の化学において重要な役割を果たしてきたことは注目に値します。

しかし、モデルの大きなギャップは、水が形成された後に何が起こるかです。 マグマの海があるため、太陽系内の水素が実際に散逸した場合、マグマの海は太陽放射によって分裂し、失われる可能性があります。 月を形作った巨大な衝突など、惑星を暖めた後遺症についても同じことが言えます。 水素がまだ十分にある場合は、水で固定できるので問題ありません。 研究者たちは、水が豊富な大気は大規模な衝突でも生き残ることができることを示す研究を引用しています。 最後に、最初に過剰な水が生成されたが、これらのプロセスによって十分な量が失われて地球が現在の状態になったという状況を想像できます。

そのため、水の生成には条件の微調整は必要ありませんが、保持には条件が必要な場合があります。

しかし、私たち自身の外の世界への影響は、もう少し大きいようです。 これらの結果は、岩石惑星の形成中に広範囲の初期条件が水を生成したに違いないことを示しています。 したがって、外系の惑星について考えるとき、そもそも水を失った可能性があるかどうかを尋ねるよりも、水を失う原因となる条件を経験したかどうかを尋ねる方が疑わしいかもしれません.

ネイチャー、2023年。DOI: 10.1038 / s41586-023-05823-0 （DOIについて）。