Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

Вторая атмосфера

Если бы Андерс сделал свой снимок Земли около 4 млрд лет назад, перед ним бы предстало адское зрелище. Изъеденная жаром, сопровождавшим ее бурное рождение, содрогающаяся от продолжающихся столкновений с планетезималями, наша планета представляла собой сгусток расплавленных горных пород, усеянный извергающими океаны магмы вулканами. Не случайно эта первая эпоха в истории Земли получила название «гадейского периода» — в честь Гадеса (Аида), бога подземного мира в древнегреческой мифологии.

Первоначальная газовая оболочка, сформировавшаяся вокруг Земли из протопланетного диска, просуществовала недолго. Гравитационное притяжение нашей планеты было слишком слабым, чтобы удержать первую атмосферу, состоявшую преимущественно из легких элементов, таких как водород и гелий. Когда Солнце вступило в стадию Т Тельца, стадию бурного взросления, на планеты земной группы обрушились ветры и потоки излучения молодой звезды, сорвав с них газовые покровы.

Лишившись своей примитивной атмосферы, расплавленная Земля начала извергать газы во второй раз. Благодаря подвижности расплавленных горных пород более плотные металлы начали опускаться к ядру, освобождая место для более легких силикатов, из которых сформировалась мантия. В процессе плавления горных пород из них высвобождались газы, вырываясь наружу в составе вулканических выбросов и образуя вторую атмосферу Земли. Новая атмосфера представляла собой смесь водяных паров, окиси углерода, углекислого газа и азота. В ней все еще не было свободного кислорода: для его появления требовались фотосинтезирующие формы жизни. Молекулы новой атмосферы были достаточно тяжелыми, чтобы удерживаться земной гравитацией и не покидать планету. Конечно, это была еще не та атмосфера, которой мы дышим сегодня, но она уже могла служить основой для зарождения жизни.

Впрочем, и тут без тайн не обошлось: откуда взялись водяные пары, которые выбрасывала гадейская Земля?

Тайна воды

На фотографии восхода Земли мы видим хрупкую голубую планету, 71% поверхности которой покрыт водой. В массе планеты доля воды существенно меньше: если к поверхностным водам добавить тот объем, который, по оценкам, заключен в мантии, мы получим менее 0,1% массы всей Земли. При этом, где бы на Земле ни встречалась вода, ее неизменно сопровождает жизнь. С нашей точки зрения, это означает, что вода — ключевой элемент жизни.

Но происхождение этой воды остается загадкой: из-за близости к Солнцу пыль, из которой формировалась Земля, была слишком теплой, чтобы в ней мог содержаться лед. Твердые частицы, в результате столкновения которых образовалась Земля, состояли главным образом из сухих силикатов. Чтобы стать участником процесса формирования планеты, лед должен был иметь форму затвердевших частиц, а в этой форме он существовал только за снеговой линией в холодном царстве газовых гигантов.

Последствия этого до сих пор можно наблюдать в поясе астероидов в виде полосы остаточных планетезималей, которая располагается между Марсом и Юпитером, то есть как раз там, где пролегает снеговая линия. Cтолкновения и взаимодействия астероидов приводят к тому, что некоторые из них направляются к Земле, падая на ее поверхность в виде метеоритов. Поэтому у нас достаточно информации об их свойствах. В частности, мы знаем, что в астероидах во внешней части пояса, находящихся на расстоянии 2,4–4 а.е., содержится значительное количество льда, составляющее до 10% их массы. Чем ближе к Марсу и Земле вдоль пояса, тем астероиды суше: доля льда в их массе не превышает 0,05% — 0,1%. Несмотря на неизбежное изменение количества льда за прошедшие миллиарды лет, тенденция говорит о том, что наша планета сформировалась из сухого материала. Но тогда откуда взялись океаны?

Мокрая Земля

Первый вариант ответа на этот вопрос — сценарий мокрой Земли. Согласно этому сценарию, в процессе формирования Земля аккумулировала воду так же, как газ.

Несмотря на отсутствие во внутренней части Солнечной системы твердого льда, водяных паров в протопланетном диске было в избытке. Они окутывали планетезимали, из столкновений которых родилась Земля. Если допустить, что какое-то количество паров «прилипало» к каменистым телам, то они вполне могли войти и в состав самой планеты. Когда в гадейский период в расплавленных недрах Земли начались сдвиги, пары воды могли выйти наружу через вулканы и, охладившись, сформировать океаны.

Согласно другому похожему сценарию, Земля могла удержать пары воды, аккумулированные в период формирования примитивной атмосферы. Легких водорода и гелия она лишилась, но более тяжелые молекулы воды смогла сохранить, и позже они присоединились к газам во вторичной атмосфере.