Земля родилась с водой сразу: как квантовая химия опровергла теорию «поздней доставки»

15 июл 2025, 22:53

Взгляните на любое изображение нашей планеты из космоса. Первое, что бросается в глаза — это не зелень лесов и не охряные пустыни, а глубокая, всепроникающая синева. Земля — водная жемчужина Солнечной системы, и именно эта особенность делает её живой. Вода — растворитель жизни, её колыбель и главный двигатель. Так откуда же она взялась в таких немыслимых количествах?

Долгое время ответ на этот вопрос казался почти детективной историей с доставкой на место преступления. Но недавнее исследование французских учёных переворачивает сценарий с ног на голову, предполагая, что вода — не заезжий гость, а коренной житель нашей планеты.

Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Космическая посылка: классическая теория

Представьте себе новорождённую Солнечную систему: гигантский вращающийся диск из газа и пыли, в центре которого разгорается молодое Солнце. Было жарко. Настолько жарко, что вблизи звезды летучие соединения, вроде воды, просто не могли существовать в твёрдом виде — они мгновенно испарялись.

Астрофизики провели условную черту в этом диске, назвав её «снеговой линией». Внутри этой линии — сухо и жарко. Снаружи — холодно, и водяной пар мог спокойно конденсироваться в ледяные кристаллы, намерзая на пылинках.

Из этой логики родилась стройная и красивая теория — гипотеза поздней доставки (late veneer hypothesis). Она гласила: каменистые планеты, включая Землю, сформировались в «сухой» зоне из раскалённого материала. Они были безводными каменными шарами. А вода, наше главное сокровище, была доставлена позже, как посылка с окраин Солнечной системы. В роли курьеров выступили ледяные кометы и астероиды, которые миллиарды лет бомбардировали молодую Землю, постепенно наполняя её океаны.

Эта идея была удобна и логична. Она объясняла, почему внутренние планеты каменистые, а внешние — газовые и ледяные гиганты. Но, как это часто бывает в науке, элегантная картина начала давать трещины под давлением новых данных.

Профили температуры и плотности, линии снега и вклад каждого BE. Вверху слева: профиль температуры (коричневый) и плотности (синий) средней плоскости с T1au = 280 K. Вверху справа: распределение водных BE, рассчитанных L. Tinacci et al. (2023). Внизу слева: сравнение линии снега, рассчитанной с помощью одного BE (BE = 4330 K и ν = 1 x 1012 с−1; M. P. Collings et al. 2015; голубой) и с использованием распределения BE воды L. Tinacci et al. (2023) (черный). Внизу справа: пунктирные кривые показывают вклад каждого бина BE с соответствующим цветом из распределения L. Tinacci et al. (2023) выше. Черная кривая такая же, как на левом панели, и использует все распределение BE. Левая и правая нижние панели имеют одну и ту же вертикальную ось: содержание водяного льда по отношению к H-ядрам на левой оси и количество льда по отношению к максимуму на правой оси (xice/xice, max в %).
Автор: Lise Boitard-Crépeau et al 2025 ApJL 987 L25 Источник: iopscience.iop.org

Размытая граница: квантовый взгляд на рождение планет

Что, если снеговая линия — это не строгий забор, а скорее туманная зона с размытыми очертаниями? Именно эту идею выдвинула команда учёных под руководством Лиз Буатар-Крепо из Университета Гренобль-Альпы. Их работа, опубликованная в престижном The Astrophysical Journal Letters, предлагает взглянуть на проблему с точки зрения квантовой химии.

Классическая модель предполагала, что у сублимации льда (перехода из твёрдого состояния в газ) есть одна конкретная температура. Пересёк линию — весь лёд испарился. Но реальность, как выясняется, сложнее. Молекулы воды связываются с поверхностью пылинок с разной силой. Представьте себе мокрую одежду на верёвке: большая часть высохнет быстро, но швы или плотные складки будут оставаться влажными гораздо дольше.

Нечто подобное происходит и с космической пылью. Даже внутри горячей «снеговой линии» некоторые молекулы воды, обладая особенно сильной энергией связи, продолжали цепко держаться за силикатные пылинки. Они были «заперты» в структуре минералов.

Исследователи смоделировали этот процесс и обнаружили, что вместо чёткой границы существует широкая «переходная водная зона» протяжённостью в несколько астрономических единиц. В этой зоне основная масса льда действительно испарялась, но ничтожный, на первый взгляд, процент оставался.

Улики в камнях и цифрах

Самый главный вопрос: хватило бы этой «остаточной» воды, чтобы наполнить земные океаны? Расчёты показали — да. По моделям учёных, в материале, из которого формировалась Земля, могло содержаться от 0,04% до 2,5% воды по массе. Этого более чем достаточно, чтобы объяснить всё нынешнее водное изобилие нашей планеты.

Получается, Земле не нужна была никакая «поздняя доставка». Она собиралась из пыли, которая уже несла в себе необходимый запас воды. Наша планета родилась «мокрой» по умолчанию.

Но теория без доказательств — лишь гипотеза. Где искать подтверждения? В самых древних свидетелях тех времён — метеоритах. Учёные обратились к хондритам, каменным метеоритам, чья структура не менялась с момента образования Солнечной системы. Их химический состав — это практически моментальный снимок протопланетного диска.

И здесь модель снова попала в точку. Она успешно воспроизвела наблюдаемое распределение воды в разных группах хондритов. Более того, она отлично согласуется с идеей о том, что основными «строительными блоками» Земли были так называемые энстатитовые хондриты. Эти редкие метеориты имеют изотопный состав, поразительно схожий с земной водой, и, как считается, сформировались они как раз вблизи орбиты нашей планеты.

Весовое содержание водного эквивалента в солнечной системе и прогнозы модели. Верхняя левая панель: температура средней плоскости диска с использованием T1au = 145, 180, 200 и 300 K (от светло-голубого до темно-голубого). Нижний левый панель: сплошные кривые показывают линии снега, рассчитанные с использованием распределения BE L. Tinacci et al. (2023) для различных температурных профилей (цветовая кодировка, как выше). Точки данных показывают медианные значения содержания воды по весу для различных объектов Солнечной системы (раздел 3), где вертикальные полосы представляют минимальный и максимальный диапазон. Обратите внимание, что значения, приведенные в таблице 1, считаются верхними пределами. Неопределенность области образования различных объектов показана в виде эллипсов, различающих популяции NC, CC и комет. Справа: рассчитанные линии снега с использованием T1au = 200 K и различных моделей — распределение BE (сплошная линия), одиночное BE (пунктирная линия) и конденсация при 180 K (точечная линия). Правая и левая панели имеют одну и ту же вертикальную ось.
Автор: Lise Boitard-Crépeau et al 2025 ApJL 987 L25 Источник: iopscience.iop.org

Что это меняет для нас?

Новая теория не ставит точку в споре, но элегантно решает несколько старых проблем. Например, она снимает сложный вопрос о «своевременности» доставки. Как астероидам удалось принести ровно столько воды, сколько нужно, и не разрушить при этом молодую планету? Если же вода была изначальным компонентом, этот вопрос просто отпадает.

Конечно, остаются и белые пятна. Например, соотношение тяжёлой воды (с дейтерием) и обычной на Земле, которое геологические процессы в недрах могли со временем изменить. Наука — это марафон, а не спринт.

Однако главный вывод ошеломляет своей простотой. Если вода — не результат счастливой случайности (удачной бомбардировки кометами), а фундаментальное свойство материала, из которого образуются планеты в определённой зоне, это в корне меняет наш взгляд на поиски жизни во Вселенной.

Возможно, «голубые мраморные планеты», похожие на нашу, — вовсе не космическая редкость, а закономерный итог планетообразования. И где-то там, в глубинах космоса, вращаются вокруг своих звёзд другие миры, которые, как и Земля, родились с величайшим даром — водой.

Опубликовано: Мировое обозрение Источник