Земля могла намагнітитися, поглинувши небесне тіло типу Меркурія

Поглинанням протопланети з великим вмістом сірки можна пояснити дві давні загадки в історії формування Землі.

У дитинстві Земля могла поглинути планету, схожу на Меркурій, але набагато більшу. Цим раннім сніданком можна пояснити загадковий склад земних шарів, і це ж могло бути причиною виникнення земного магнетизму, завдяки якому на нашій планеті виникла і існує життя, пише Smithsonian.

"Нам здається, ми можемо одним пострілом убити двох зайців", - говорить геохімік з Оксфордського університету Бернард Вуд (Bernard Wood), який днями висунув цю ідею в журналі Nature.

Здається неймовірним, що в 2015 році ми так поки і не знаємо, яким чином сформувався наш світ. Але задумайтеся, наскільки важко заглянути в його нутрощі. Найдовший і найважчий процес буріння так і не дозволив поки пробратися через зовнішню кору Землі.

Природні канали розпечених порід допомагають нам, виносячи на поверхню речовини з глибокого шару мантії і даючи таким чином нам можливість для їх вивчення. Але навіть ці канали довжиною в сотні кілометрів занадто дрібні, якщо задуматися про те, що центр планети лежить у нас під ногами на глибині шести тисяч кілометрів.

Тому відтворення історії Землі трохи нагадує спробу здогадатися про те, як пекли торт, якщо спробувати його глазур і кілька випадкових крихт. У наявності широкий простір для нових ідей і досліджень.

"Зараз дуже цікавий час для таких занять, - говорить геохімік Річард Карлсон (Richard Carlson) з вашингтонського Інституту Карнегі. - З досліджень глибин Землі з'являється багато фактів, які ми не дуже добре розуміємо".

Традиційна теорія про формування Землі починається зі злипання космічних уламків. Брили, схожі на тверді метеорити, які продовжують сипатися на нас зверху донині, з'єднувалися один з одним, формуючи шматки все більшого розміру. Стиснувшись, бомбардована і гріта купа уламків та сміття в підсумку розплавилася, а потім охолола, повільно формуючи шари протягом мільярдів років.

Вивчені в 1980-х роках геологічні крихти допомогли підтвердити цю теорію. За винятком деяких металів типу заліза, більша частина якого, імовірно, опустилася в центр Землі, земна порода, схоже, складається з тих же речовин, що і кам'яні метеорити з хондрітових структурою.

Але приблизно десять років тому Карлсон знайшов привід для сумнівів, коли порівняв земні породи і космічні за допомогою досконаліших приладів. Його колектив досліджував два рідкісні елементи з незвичайними назвами і магнетичними властивостями: це неодим, що входить до складу магнітів, що використовуються в гібридних автомобілях і великих вітряних турбінах, і самарій, який часто застосовують в магнітах навушників. Вчені виявили, що в земних зразках міститься менше неодиму по відношенню до самарію, ніж в хондрітових метеоритах.

Таку маленьку розбіжність у кілька відсотків було важко пояснити. Можливо, припустив Карлсон, Земля в процесі охолодження формувала шари швидше, ніж ми думали раніше, не за мільярди років, а за десятки мільйонів. Верхній шар, який утворився швидко, виснажив свої запаси ніодима, який опускався вниз, ховаючись глибоко в мантії. Але ніхто так і не знайшов доказів існування такого таємного резервуара.

Важко пояснити завзяте прагнення ніодима залишатися в глибині, враховуючи те, що мантія вирує як киплячий суп, часто викидаючи свій вміст на поверхню, коли створює вулкани. А якщо Місяць з'явився, коли в Землю врізалося якесь планетарне тіло, як думають багато, то в результаті плавлення від зіткнення запас ніодима повинен був знову змішатися з мантією.

Замість того, щоб намагатися пояснити зникнення ніодима, друга група вчених запропонувала позбутися цієї ідеї. Вони уявили собі земну кору, збагачену ніодимом, яка виростала на хондрітових породах, які стали основою складу Землі. Сутички між цими тілами мали зняти значну частину зовнішнього шару, через що кількість ніодима зменшилася.

Але в такій точці зору теж є свої проблеми. Поки не знайдено жодного метеорита, склад якого схожий на уламки ерозії. Крім того, ця здерта оболонка мала забрати з собою значну частину земного тепла. Уран, торій та інші радіоактивні елементи, які, як нам відомо, нагрівають нашу планету, також повинні були опинитися в здертому шарі.

"Близько 40% тепловиділяючих елементів Землі повинні були піти в космос", - говорить геохімік з Австралійського національного університету Іен Кемпбелл (Ian Campbell).

Фото: NASA

Сподіваючись пояснити присутність цих критичних елементів, Вуд вирішив дізнатися хімічний склад Землі в її молодості. Натхнення він черпав в одній з найбільш дивних планет нашої сонячної системи - в Меркурії.

За своїм хімічним складом найближча до сонця планета - це пекельне місце, де повно сірки. Як молода Земля могла формувати шари, якщо вона була більше схожа на Меркурій?

Щоб відповісти на це питання, Вуд додав сірку до суміші елементів, які повинні були імітувати склад примітивної Землі. Він варив макети планет при високій температурі, рівній температурі горіння реактивного палива, а потім бив їх поршнем під тиском, що в 15 000 разів перевершує тиск у звичайній скороварці.

Наситившись сіркою, ці мініатюрні прото-світи ховали неодим, формуючи свої шари. Але ховали вони його не в своїх мантіях, а в ядрі. Навічно застряглий в ядрі ніодим міг пояснити аномалію, про яку думав Карлсон. Додатковий обсяг сірки міг потрапити на Землю разом з небесним тілом типу Меркурія, яке зіткнулося з Землею на ранньому етапі її існування. Вуд припустив, що це ж тіло сформувало Місяць.

"Нам знадобилося б тіло розміром 20-40% від розміру Землі", - говорить він. Можливо також, що Земля з самому початку формувалася з ядра, але складається не з хондритів, а з іншого космічного сміття з великим вмістом сірки. У кожному разі, такий космічний сценарій міг створити умови для виникнення життя на Землі.

Справа в тому, що сірка повинна була допомогти залучити до земне ядро ​​уран і торій. Додаткове тепло від цих радіоактивних елементів допомогло перемішати зовнішню частину ядра, і такий активний рух розплавленого металу міг породити потоки, які, в свою чергу, створюють земне магнітне поле.

Без магнетизму морські черепахи і капітани морських суден не могли б орієнтуватися - і навіть існувати. Життя на поверхні планети була б неможливе без захисту, яку це поле створює від вистрілюваних Сонцем частинок великої енергії.

Колеги Вудса називають його теорію вельми розумною. Але вона аж ніяк не безумовна і вичерпна, як і інші історії про виникнення Землі, написані в останні роки. По-перше, ті значення температури і тиску, яких домоглися вчені в ході експерименту, хоч і є надзвичайно високими, але їм далеко до умов, що існували всередині прото-Землі. По-друге, дослідження закономірностей і місць землетрусів всередині нашої планети допомогли визначити межі ваги ядра. Якщо в центрі Землі є велика кількість сірки, значить, ядро ​​знаходиться в небезпечній близькості до цих меж.

Щоб привести додаткові аргументи на захист своєї точки зору, Вуд планує пошукати в періодичній таблиці інші елементи, чий таємничий достаток можна пояснити додаванням сірки до первинної суміші. З урахуванням історії досліджень у цій сфері, йому доведеться дуже сильно попрацювати, щоб переконати скептиків типу геохіміка Білла Макдоноу (Bill McDonough), що працює в Мерілендського університеті.

"Мені здається, що шансів на істинність цієї гіпотези набагато менше 50%", - говорить він.