вода в истории земли
Откуда взялась вода на планете Земля
Вода — это химическое соединение водорода и кислорода. С наличием на нашей планете первого все ясно — из водородного облака родилась вся Солнечная система.
Но откуда взялся кислород и как появилась вода на Земле, до сих пор достоверно неизвестно.
Горячее происхождение Земли
Наша планета когда-то была раскаленным телом. В результате остывания появилась литосфера.
Водород среди земных химических соединений был изначально, появившись из протооблака, а кислород «прислали» в нашу систему звезды, существовавшие и погибшие задолго до возникновения Солнца.
Каждая из них выплеснула в космос большое количество сырья для новых миров.
В результате реакции двух химических элементов появилась парообразная вода. Она выходила из трещин в планете и заполняла собой пространство. Охлаждаясь, пар образовывал облака. Когда температура во вновь рожденной атмосфере снизилась, содержащийся в облаках пар превратился в жидкую воду, пошли дожди.
Ливни шли несколько тысячелетий, заполнив все выемки на земной тверди и образовав протоокеан.
Холодное происхождение Земли
Приверженцы этой теории утверждают, что планета родилась уже холодной.
Однако наличие в центре Земли раскаленного ядра доказывает, что в силу каких-то причин, например из-за распада радиоактивных элементов, в недрах планеты начала подниматься температура.
Холодная версия с последующим разогревом
Сначала наша планета была холодной, затем стала раскаляться, что вызвало вулканизм. Магма выносила из недр на поверхность водяной пар, который уже содержался в протоматерии, образовывавшей Землю.
Часть пара остывала, становилась жидкой и заполняла океаническую чашу, а часть стала будущей атмосферой.
Гипотеза английского астрофизика Хойла
Британский ученый утверждал, что конденсация первичного водородного облака проходила по-разному во всех зонах Солнечной системы, в первую очередь из-за разницы температур:
Но процесс происхождения дальних планетарных тел не был гладким. По какой-то причине вырванные из них глыбы льда полетели в направлении ближних планет. Часть объектов таяла по дороге, но крупные экземпляры не успевали растаять под воздействием лучей Солнца, долетали до Земли, оседали в ее атмосфере ледяными каплями, превращаясь в дожди.
Математическими расчетами Хойл доказал, что таких осадков было достаточно, чтобы за несколько миллионов лет образовать океаны.
Вода появилась из космоса
Из глубин космоса на Солнечную систему постоянно направлены потоки ионов — это доказанный факт.
Фото и видео подобных ионных ливней предоставляли космическая обсерватория «Хаббл» и межпланетные исследовательские станции. Большой объем в таких потоках занимают протоны, являющиеся с химической точки зрения ядрами атомов Н+, точнее протия — легкого водородного изотопа, не имеющего электрона.
Проливались ионные дожди и много миллиардов лет назад. Достигая верхних слоев земной атмосферы, они захватывали электроны и превращались в чистый водород, который тут же вступал во взаимодействие с кислородом и образовывал воду. А она изливалась на поверхность Земли в виде осадков.
Расчеты показывают: таким образом может быть образовано всего 1,5 т воды ежегодно. Но за миллионы и миллиарды лет космическая вода на планете могла создать Мировой океан.
Расширение планеты и дрейф материков как причина образования воды
250 млн лет назад существовал 1 сверхконтинент, который впоследствии разделился на части, начавшие двигаться друг от друга так, что между ними образовались широкие проемы, ставшие впоследствии океанами.
Это явление может объяснить гипотеза расширения Земли. Сторонники версии утверждают, что первоначально наша планета была в обхвате в 2 раза меньше, чем сейчас, и материки, вначале слитые воедино, могли полностью ее опоясать. Затем космическое тело начало расширяться, и в едином материке появились трещины — будущие океанические впадины.
С тех пор Земля продолжает расширяться — это доказали последние исследования с применением сверхточных атомных измерительных приборов.
Ученые определили, что:
С такой скоростью всего за 20 млн лет (это маленький срок с геологической точки зрения) на месте Европы может появиться новый океанический пролив шириной 4 тыс. км.
Одна из версий, почему расширяется планета, — активное участие в данном процессе водорода. Земля, окружающие ее планеты, кометы и иные небесные тела состоят из этого химического элемента более чем на 95%.
К нам водород пришел в момент рождения Протоземли вместе с первичным облаком, среди атомов которого были и металлы, отличающиеся способностью поглощать водород в большом количестве, в тысячи раз больше, чем свой размер. И чем больше это поглощение, тем металл активнее уплотняется.
По мере того как пылевое облако становилось плотнее, давление внутри будущей Земли росло, небесное тело разогревалось.
Максимальное сжатие было в его центральных областях, и в какой-то момент температурные показатели в земном ядре достигли критических значений, вызвав обратный процесс — водород начал выделяться из металлов. Ядро резко расширилось, и верхние земные слои не выдержали — треснули.
Водород, проходя сквозь недра, захватывал по пути кислород, появляясь на поверхности уже в виде пара. Он конденсировался, превращаясь в воду, и заполнял литосферные впадины, образуя океаны.
Океан внутри планеты — земное происхождение воды
Это вариация версии, что Земля появилась холодной, а после начала разогреваться. В недрах образовался водяной пар, но с окружающим веществом он в реакции не вступал — мешала высокая температура. Пар накапливался и затем под давлением поступал в прохладные верхние слои планеты.
Там он:
Возникли пустоты, которые заполнила жидкость, вышедшая через увеличивающиеся трещины на поверхность и образовавшая протоокеан.
Процесс продолжался не одно тысячелетие. Оставшаяся в коре влага взаимодействовала с кислотами и щелочами, постепенно превращаясь в соленый раствор.
Жидкость неумолимо растекалась под основаниями тверди, но в кору проникнуть не могла из-за мелкопористой структуры основной горной породы — гранита. Поры задерживали взвеси, забивались, и тектоническая плита начинала выполнять функцию защитного экрана, который преградил путь воде.
Если эта теория верна, на глубине от 12 до 20 км под континентами и сейчас плещется соленый океан.
Доказательством гипотезы служит резкое увеличение скорости тектонических колебаний на этой глубине, как будто по линии смены химико-физических свойств материи.
В пользу версии говорит и продолжающийся до сих пор дрейф материков. Возможно, под днищами континентальных плит находится нечто, играющее роль масляной пленки, способствующей движению и уменьшающей трение.
Мокрое место: откуда в нашей вселенной вода
1. Большой взрыв
Водород почти так же стар, как сама Вселенная: его атомы появились, как только температура новорожденной Вселенной упала настолько, что смогли существовать протоны и электроны. С тех пор водород уже 14,5 млрд лет остается самым распространенным элементом Вселенной и по массе, и по числу атомов. Облака газа, состоящие в основном из водорода, заполняют весь космос.
В 2011 году астрономы обнаружили в созвездии Персея молодую солнцеподобную звезду, извергавшую целые фонтаны воды. Ускоряясь в мощном магнитном поле звезды, молекулы H20 на скорости, в 80 раз больше скорости пулеметной пули, вырывались из недр звезды и, остывая, превращались в капли воды. Вероятно, такие выбросы молодых звезд – один из источников вещества, в том числе и воды, в межзвездном пространстве.
2. Первые звезды
В результате гравитационного коллапса облаков водорода и гелия появились первые звезды, внутри которых начался термоядерный синтез и образовались новые элементы, в том числе кислород. Кислород и водород дали воду; первые ее молекулы могли сформироваться сразу после появления первых звезд – 12,7 млрд лет назад. В форме очень рассеянного газа она заполняет межзвездное пространство, охлаждая его и таким образом приближая рождение новых звезд.
В 2011 году астрономы нашли самый большой космический резервуар с водой. Он обнаружился в окрестностях огромной и древней черной дыры в 12 млрд световых лет от Земли; воды в нем хватило бы, чтобы заполнить земные океаны 140 трлн раз! Но астрономов больше заинтересовало не количество воды, а ее возраст: ведь расстояние до облака указывает на то, что оно существовало, когда возраст Вселенной составлял одну десятую от нынешнего. А значит, уже тогда вода заполняла часть межзвездного пространства.
3. Вокруг звезд
Вода, присутствовавшая в породившем звезду облаке газа, переходит в вещество протопланетного диска и объектов, которые формируются из него, – планет и астероидов. В конце жизни самые массивные звезды взрываются сверхновыми, оставляя после себя туманности, в которых вспыхивают новые звезды.
Как появилась вода на Земле?
Вода, которой мы наслаждаемся и без которой невозможна жизнь на Земле, была там с момента ее образования, полагают команда ученых-исследователей под руководством Седрика Гиллмана из Брюсельского университета.
Такое катастрофическое событие должно было бы испарить любую ранее существовавшую воду, оставив после себя сухую Землю. Таким образом, после катастрофы от гигантского столкновения у нас есть два возможных объяснения наличия воды на Земле: либо вода была привнесена позже, после катастрофы, в частности, ледяными или богатыми водой астероидами; либо гигантское столкновение не было достаточно сильным, чтобы испарить всю воду на Земле.
В связи с важностью воды для происхождения жизни, вопрос о ее возникновении на Земле является первостепенным. Одна из главных проблем при изучении этого вопроса заключается в том, что Земля утратила все следы своего формирования, поскольку она является активной планетой.
Хотя Землю и Венеру можно считать сестрами-близнецами, их соответствующие геологические и климатические эволюции в прошлом резко различались, что привело к тому, что в настоящее время 92-баровая атмосфера Венеры нагревается благодаря тепличному эффекту до неимоверных 470°C, в отличие от мягких температурных условий Земли с давлением в 1 бар на ее поверхности.
Однако по сравнению с Землей вулканическая активность и газовыделение Венеры уменьшились, так как она не имеет подвижных тектонических плит, а имеет застывшую поверхность. Более того, такой конвекционный режим подразумевает очень незначительную рециркуляцию летучих веществ из атмосферы в мантию и обратно.
Таким образом, несмотря на то, что атмосфера Венеры представляет собой сущий «ад», ее эволюцию гораздо легче понять и смоделировать в геологические времена. Кроме того, из-за близости своих орбит Земля и Венера должны были получать один и тот же вид вещества в течение своей истории. Все эти аспекты в совокупности делают Венеру идеальным примером для изучения примитивной эволюции планет земного типа.
Используя численное моделирование столкновений различных типов астероидов, содержащих различное количество воды, команда обнаружила, что богатые водой астероиды, сталкиваясь с Венерой и выделяя свою воду в виде пара, не позволяют объяснить состав атмосферы Венеры таким, каким мы его сегодня наблюдаем. Это означает, что астероидный материал, попавший на Венеру, а значит и на Землю, после гигантского соударения должен был быть сухим, а значит, препятствовать пополнению Земли водой.
Поскольку вода сегодня присутствует на нашей планете, то это означает, что вода, которой мы наслаждаемся на Земле, была там с момента ее образования, вероятно, спрятана глубоко в Земле, чтобы она могла пережить гигантское столкновение.
Эта идея имеет очень глубокие последствия с точки зрения обитаемости древних Земли, Венеры и Марса, так как она предполагает, что планеты, вероятно, образовались с их почти полным запасом воды, и медленно теряли ее со временем.
Поскольку Марс за счет намного меньшего размера и массы обладает меньшей силой гравитации, он, вероятно, постепенно потерял всю свою воду, в то время, как жизнь на Земле только формировалась.
Для Венеры эти результаты проливают дополнительный свет на недавние работы, в которых утверждается, что на поверхности планеты существовали водные океаны и также позволяют оценить максимально возможное количество воды, которое можно ожидать на Венере.
Эти исследования также помогут в подготовке будущих космических полетов на Венеру.
Откуда взялась вода на Земле
Ученые до сих пор спорят о появлении воды на Земле. Один товарищ занялся поисками гипотез. Нашел аж шесть штук. Нет согласия в этом мире! Откуда вода на Земле — варианты ответа.
Гипотезы о происхождении воды на Земле
Первая гипотеза. Горячее происхождение Земли
Считается, что некогда Земля была расплавленным огненным шаром, который, излучая тепло в пространство, постепенно остывал. Появилась первородная кора, возникли химические соединения элементов и среди них соединение водорода с кислородом, или, проще говоря, вода.
Пространство вокруг Земли все более заполнялось газами, которые непрерывно извергались из трещин остывающей коры. По мере охлаждения пары образовывали облачный покров, плотно окутавший нашу планету. Когда температура в газовой оболочке упала настолько, что влага, содержащаяся в облаках, превратилась в воду, пролились первые дожди.
Тысячелетие за тысячелетием низвергались дожди. Они-то и стали тем источником воды, которая постепенно заполнила океанические впадины и образовала Мировой океан.
Вторая гипотеза. Холодное происхождение Земли
Была Земля холодная, а потом начала разогреваться. Разогрев стал причиной вулканической деятельности. Извергаемая вулканами лава выносила на поверхность планеты пары воды. Часть паров, конденсируясь, заполняла океанические впадины, а часть образовала атмосферу. Как теперь подтверждено, главной ареной вулканической деятельности на первых стадиях эволюции Земли действительно являлось дно современных океанов.
Согласно этой гипотезе вода содержалась уже в той первичной материи, из которой сложилась наша Земля. Подтверждением такой возможности является наличие воды в падающих на Землю метеоритах. В «небесных камнях» ее до 0,5 %. На первый взгляд мизерное количество. Как то не убедительно!
Третья гипотеза
Третья гипотеза опять же исходит из «холодного» происхождения Земли с последующим ее разогревом.
На какой-то стадии разогрева в мантии Земли на глубинах 50— 70 км из ионов водорода и кислорода начал возникать водяной пар. Однако высокая температура мантии не позволяла ему вступать в химические соединения с веществом мантии.
Под действием гигантского давления пар выжимался в верхние слои мантии, а затем и в кору Земли. В коре более низкие температуры стимулировали химические реакции между минералами и водой, в результате разрыхления пород, образовались трещины и пустоты, которые немедленно заполнялись свободной водой. Под действием давления воды трещины раздавались, превращались в разломы, и вода через них устремлялась на поверхность. Так возникли первичные океаны.
Однако деятельность воды в коре Земли этим не исчерпывалась. Горячая вода довольно легко растворяла в себе кислоты и щелочи. Эта «адская смесь» разъедала все и вся вокруг, превращаясь в своеобразный рассол, который и придал морской воде присущую ей и поныне соленость.
Тысячелетия сменяли друг друга. Рассол вширь и вглубь неумолимо расползался под гранитными основаниями континентов. Проникнуть же в собственно гранит ему дано не было. Пористая структура гранита, подобно тонкому фильтру, задерживала взвеси. «Фильтр» засорялся, а засорившись, начинал играть роль экрана, преграждавшего путь воде.
Если все это имело место, то под материками на глубине 12— 20 км расстилаются океаны сжатой и насыщенной растворенными солями и металлами воды. Вполне возможно, что такие океаны раскинулись и под многокилометровой толщей базальтового дна наземных океанов.
В пользу приведенной гипотезы свидетельствует резкое возрастание скорости сейсмических волн на глубине 15—20 км, т. е. как раз там, где должна пролегать граница предполагаемого раздела между гранитом и поверхностью рассола, граница резкого изменения физико-химических свойств вещества.
Приведенную гипотезу подтверждает и так называемый дрейф материков. Гранитные громады материков перемещаются. Они «плывут», хотя скорость их движения составляет всего несколько сантиметров в столетие. Отчего же не предположить, что океаны рассолов выполняют роль своеобразной пленки под «днищами» материков, подобно пленке масла в подшипнике между цапфой и валом.
Если рассолы существуют, то в будущем человечество наверняка использует их как богатейшую жидкую руду, в которой растворены ценнейшие элементы и их соединения.
Четвертая гипотеза английского астрофизика Хойла
Она была опубликована сравнительно недавно, в 1972 г. Гипотеза представляет собой следствие из гипотезы происхождения Солнечной системы.
Суть ее такова: конденсация протопланетного облака, окружавшего наше прото-Солнце, протекала неравнозначно на разных расстояниях от Солнца. Чем дальше от него, тем температура облака была ниже. Ближе к Солнцу могли конденсироваться, скажем, металлы как вещества более тугоплавкие. А там, где проходят орбиты Урана, Нептуна и Плутона, по расчетам Хойла, температура составляла примерно 350 К, что уже достаточно для конденсации паров воды.
Именно этим обстоятельством можно объяснить «водную» природу Урана, Нептуна и Плутона, образовавшихся в процессе слияния частиц льда и снега. «Водную» природу указанных планет подтверждают новейшие астрономические наблюдения.
Однако в процессе формирования внешних планет имело место гравитационное «выталкивание» глыб льда в область внутренних планет. Те из глыб, которые обладали достаточными размерами, не успев полностью испариться от солнечных лучей, достигали Земли и падали на нее в виде своеобразного ледяного «дождя». Очевидно, такие «дожди» были более обильными на Марсе и весьма скудными на Венере.
Расчеты, выполненные Хойлом, подтверждают возможность образования земных океанов из ледяных дождей, для чего потребовалось всего несколько миллионов лет.
Пятая гипотеза
Она, как и четвертая, предполагает чисто космическое происхождение воды, но из других источников. Дело в том что на Землю из глубин космоса непрерывно низвергается ливень электрически заряженных частиц. И среди этих частиц изрядную долю составляют протоны — ядра атомов водорода. Пронизывая верхние слои атмосферы, протоны захватывают электроны и превращаются в атомы водорода, которые тут же вступают в реакцию соединения с кислородом атмосферы. Образуются молекулы воды. Расчет показал, что космический источник такого рода способен дать почти 1,5 т воды в год, и эта вода в виде осадков достигает земной поверхности.
Полторы тонны… По глобальным меркам — ничтожное количество. Но следует иметь в виду, что образование такой космической воды началось одновременно с возникновением планеты, т. е. более 4 млрд. лет назад.
Шестая гипотеза
Как установлено учеными, примерно 250 млн. лет назад на Земле был единый континент. Затем, неизвестно по каким причинам, он треснул, и части его начали расползаться, «уплывать» друг от друга.
Доказательствами существования некогда единого материка является не только подобие береговых линий, но также сходство флоры и фауны, сходство геологических структур побережий. Короче говоря, ныне мало кто сомневается в единстве континентов Земли в прошлом. Недоумение вызывает другое: как могут, подобно гигантским «айсбергам», уплывать друг от друга глыбы материков, если их корни уходят вглубь на десятки километров? И что приводит их в движение?
Исследования последних лет подтвердили: да, материки «плывут», расстояние между ними непрерывно увеличивается. Передвижение материков блестяще объясняет гипотеза расширяющейся Земли. Гипотеза утверждает: первоначально Земля имела радиус вдвое меньший, чем сейчас. Материки, слитые тогда воедино, опоясывали планету.Океанов не существовало. И вот на границе протерозоя и мезозоя (250—300 млн. лет назад) Земля начала расширяться. Единый материк дал трещины, которые, наполнившись водой, превратились в океаны. И с тех пор по наше время радиус Земли увеличился вдвое!
Изобретение атомных часов позволило с абсолютной точностью определить долготу и широту земных объектов по звездному небу. Измерения показали, что наша планета… продолжает расширяться!
Расширяется, например, Европа. Москва и Ленинград «плывут» на восток со скоростью 1 см в год. А Гамбург, расположенный в центре Европы, остается на месте.
Скорость расширения европейского континента огромна. Ведь за каких-нибудь 20 млн. лет (ничтожнейший срок для геологической эпохи) в результате такого перемещения может образоваться чаша будущего океана шириной в 4000 км.
Однако до сих пор у сторонников гипотезы расширяющейся Земли не было доводов, с помощью которых они могли бы объяснить, почему Земля расширяется.
Теперь такие доводы есть.
Напомним прежде всего (и мы к этому еще вернемся), что Вселенная на 98 % состоит из водорода, т. е. из элемента, рождающего воду. На 98 % из водорода состоит и наша Земля. Он пришел к нам вместе с теми частицами холодной космической пыли, из которой образовались все планеты Солнечной системы. А среди этих частиц находились и атомы металлов.
Вот тут-то мы и сталкиваемся с интереснейшим явлением. Оказывается, металлы способны поглощать огромное количество водорода — десятки, сотни и даже тысячи объемов на один свой объем. Далее: чем больше водорода поглощает (или присоединяет) металл, тем плотнее он становится, т. е. все более уменьшается в объеме. Да, мы не оговорились — уменьшается. Так, щелочные металлы, присоединяя водород, уменьшаются в объеме в 1,5 раза уже при атмосферном давлении. Что же касается других металлов (например, железа и никеля, из которых, по мнению ученых, сложено ядро Земли), то при нормальном атмосферном давлении (105 Па) уменьшение объема у них весьма незначительно.
Однако по мере уплотнения пылевого облака происходило его гравитационное сжатие, и давление внутри прото-Земли возрастало. Соответственно росла и степень поглощения водорода металлами группы железа. Сжатие порождало антипод давления — разогрев.
А так как наибольшему сжатию подвергались центральные области образовавшейся планеты, то там стремительнее росла и температура.
И вот на какой-то стадии разогрева, когда температура в ядре Земли достигла определенного критического значения (переход количественного роста в новое качественное состояние!), начался обратный процесс — выделение водорода из металлов.
Распад металловодородистых соединений, т. е. восстановление металлических структур, вызвал резкое увеличение объема вещества ядра Земли. Расширение металлического ядра проявилось с такой силой, что мантия и кора планеты, не выдержав, дали трещины.
Таким образом, дегазация водорода сопровождалась расширением Земли. Между тем водород, пронизывая огромную толщу планеты, захватывал по пути атомы кислорода, и на поверхность ее вырывались уже пары воды. Конденсируясь, вода заполняла разломы в коре. Постепенно образовались океаны.
Итак, шесть гипотез происхождения земной воды. Со временем выяснится, в какой из них истина. Возможно, окажутся верными все шесть, в какой-то степени каждая. Пока же вопрос «Откуда взялась вода на Земле?» остается открытым.