Происхождение Мирового океана и формирование его солевого состава

Существуют две основные гипотезы, объясняющие происхождение воды на Земле:

Согласно одной из них, так называемой гипотезе «холодного» начала, гидросфера образовалась при нагреве и расплавлении первичного холодного пылевого облака.

Гипотеза «горячего» начала предполагает, что первоначально Земля состояла из вещества, нагретого до высокой температуры. Охлаждаясь, первичное вещество разделилось на жидкую и газообразную фазы, а дальнейшее понижение температуры привело к выделению из газообразной фазы гидросферы и атмосферы.

Какой же из двух гипотез отдать предпочтение? Пытаясь найти ответ на этот вопрос, ученые сравнивают состав воды, горных пород Земли и космических объектов.

Происхождение воды на Земле представляет интерес не только для понимания эволюции нашей планеты и жизни на ней, но в еще большей степени для возможного освоения других планет в пределах нашей солнечной системы и открытия других планетных систем нашей Галактики. Океаны Земли в настоящее время занимают около 70 процентов поверхности планеты. Существует все больше доказательств того, что на других планетах когда-то были океаны. Например, ученые предполагают, что океан жидкой воды присутствуют под поверхностью Европы, спутника Юпитера. Земле примерно 4,5 миллиарда лет. Решением вопроса происхождения воды на Земле и других планетах ученые занимаются уже давно. И есть несколько правдоподобных объяснений происхождения наших океанов.

Земля и все планеты в Солнечной системе формируются примерно в одно и то же время. В качестве одной из четырех планет земной группы, Земля состоит в основном из горных пород. Во время аккреции пыльных сгустков, сформировавших Землю, количество воды в этом газопылевом облаке было небольшим. Это объясняется высокими температурами из-за непосредственной близости к нашей звезде.

Некоторые ученые считают, что небольшое количество воды могло бы быть включено в камни и пыль, которая в конечном итоге стала нашей планетой. Просто, сколько воды было в первичном материале остается неясным. Вулканическая активность на Земле выпустила эту воду в атмосферу.

Однако воды в ранней атмосфере было не много, так как в процессе фотодиссоциации, под действием мощного ультрафиолетового излучения Солнца, вода распадалась на кислород и водород. Водород поднимался высоко в атмосферу и уходил в космос, так как это легкий элемент и преодолевает гравитационное притяжение Земли легко. Следовательно, это не объясняет происхождение воды на Земле, что побудило ученых искать другие источники воды.

Кометы в отдаленных регионах Солнечной системы содержат большое количество воды. Они также имеют высокие эллиптические орбиты, которые часто приносят их во внутреннюю солнечную систему. Иногда они пересекаются с орбитой Земли и сталкиваются с ней. Астрономы изучили, по крайней мере, три известных кометы — комету Галлея, комету Хиякутаке и комету Хейла-Боппа, и они заметили одну общую для всех закономерность. В этих кометах, процент дейтерия (форма водорода с двойной массой нормального водорода) в два раза выше, чем в среднем в морской воде Земли.

Пока еще не ясно, какого типа кометы сталкивались с ранней Землей. В любом случае, если Земля получила основную часть воды из комет с аналогичным составом, то можно было бы ожидать одинаковый процент дейтерия. Поэтому мы не можем в настоящее время делать какие-либо выводы о решающей роли комет в происхождении воды на Земле. На основе количества дейтерия в составе воды океанов, ученые подсчитали, что не более 10% воды на Земле произошло от столкновений с кометами. Данная теория также не может быть основной в вопросе происхождения воды на Земле.

Метеоритный материал, имеющий астероидное происхождение, также несет ответственность за поступление воды на Землю. Объекты внешней части пояса астероидов, по оценкам ученых, содержат до двадцати процентов воды. Большая масса Юпитера и его гравитационное воздействие, легко изменяет орбиты движения астероидов в поясе, выбрасывая некоторые из них по направлению к Земле. Состав астероидов в поясе различается в зависимости от их расстояния от Солнца, поэтому трудно оценить точно, сколько воды из пояса астероидов способствовало образованию океанов Земли.

Группа специалистов, изучающих изотопный состав кометного льда и метеоритного вещества, считает, что за большие запасы воды земляне должны благодарить не далекие транснептуновые кометы, а формировавшиеся между орбитами Марса и Юпитера метеориты.

Когда была открыта тяжелая поздняя бомбардировка (4,6 — 3,8 млрд лет назад, когда еще на внутренних объектах Солнечной системы формировалось большинство ударных кратеров) гипотеза метеоритно-кометного происхождения воды на Земле получила весомое подтверждение. Неизученным остается вопрос лишь о том, какие области Солнечной системы, где формировались лед и органика, внесли наибольший вклад в запасы земной воды.

Рассмотрим две наиболее популярные теории происхождения воды на земле. Во-первых, если обратить внимание на транснептуновые объекты, то запасами воды и органики Земля должна быть обязана отдаленным «выселкам», где формировались кометы. В этом случае возможен вариант происхождения какой-то части воды и органики из материала, захваченного в межзвездном пространстве на этапе происхождения протопланетного газопылевого диска.

Это предположение открывает перед учеными, занимающимися происхождением жизни, неизученные перспективы.

Во-вторых, происхождение жизни можно объяснить водой и органикой, которые были захвачены ранней Землей, происходившие из внутренних областей звездной системы. Исследовав изотопный состав гидратированных силикатов и кометного водяного льда, группа специалистов под предводительством Конела Александра из Института Карнеги в Вашингтоне, сделала выводы, которые противоречат популярной сейчас теории и подтверждают локальное астероидное происхождение органики и земной воды.

Главное, на что делался упор в исследовании, соотношение водорода и тяжелого изотопа дейтерия, с помощью которого можно высчитать, на каком расстоянии от Солнца формировались водородосодержащие объекты. В ходе эксперимента изучили изотопный состав 85 углистых хондритов и выявлено, что изотопный состав комет и хондритов различен, что противоречит сложившейся теории, описывающей формирование вещества в самой Солнечной системе.

Как показали измерения изотопный состав кометного льда и хондритов не одинаков — в гидратированных силикатах, которые входят в состав хондритов, дейтерия значительно меньше, чем в кометном льду. Полагаясь на эти данные, авторы считают, что углистые хондриты зарождались не на окраине Солнечной системы, а в области астероидного пояса между Юпитером и Марсом. Около четырех миллиардов лет назад значительная часть углистых хондритов представляла собой комки твердого вещества, который перемежается водяным льдом и замерзшими газами, — кометы и протокометные объекты. Эти «внутренние» кометы, считают исследователи, стали главным источником обводнения Земли, а не транснептуновые ледяные глыбы, мигрировавшие на внутренние солнечные орбиты под действием гравитационных возмущений, как считали исследователи раньше.

Орбитальный инфракрасный телескоп Гершель обнаружил в структуре кометы воду, которая по своему составу практически полностью идентична океанской воде на нашей планете. Ученые говорят, что это открытие говорит в пользу того, что океаны на нашей планете в прошлом могли быть летающими космическим ледяными айсбергами, обрушившимся на Землю миллиарды лет назад.

На сегодня происхождение очень больших запасов воды на Земле является темой для научных дебатов. Наша планета была сформирована в столь горячих окружающих условиях, что изначально вода должна была бы полностью испариться с ее поверхности. При этом, в наши дни 75% поверхности Земли представляет собой вода, которая, вероятно, была как-то доставлена из космоса после того, как планета успела сформироваться и остыть.

И тем не менее, до сих пор астрономы так и не находили четких свидетельств того, что кометы миллиарды лет назад были поставщиками соленой воды в земных океанах. Для того, чтобы определить происхождение воды, ученые измеряли уровни дейтерия — тяжелого изотопа водорода, присутствующего в воде. Считается, что весь дейтерий и водород во Вселенной были созданы после Большого взрыва 13,7 млрд лет назад, причем соотношение количества дейтерия к количеству водорода стабильно.

Однако в воде соотношение дейтерия и водорода различно и варьируется в зависимости от происхождения воды. Химические реакции, связанные с образованием льда в космосе, повышают шансы на более высокую или низкую концентрацию дейтерия и замещения одного из атомов водорода атомом дейтерия. Конкретные показатели соотношения зависят от конкретных условий.

Соответственно, говорят ученые, сравнивая соотношения водорода и дейтерия в океанах на нашей планете и в кометах в космосе, можно говорить о «родственности воды» .

Все кометы, изученные до сих пор, имели примерно вдвое большую концентрацию дейтерия по отношению к водороду, чем в океанской воде на Земле. Следователь, если какие-то из этих комет и падали на Землю, поставляя свою воду, то и в океанах соотношения водорода/дейтерия должны были бы несколько отличаться.

Однако сейчас астрономы при помощи Гершеля изучили комету Хартли 2 при помощи специального высокоточного инструмента для удаленного химического анализа в космосе и пришли к выводу, что Хартли 2 имеет землеподобную воду в своей структуре. «В этой комете замороженный лед имеет соотношение водород/дейтерий в точности такой же, как и в океанах» , — говорит Пол Харто, астрофизик из Института исследований Солнечной системы им Макса Планка в Германии.

По его словам, секрет отличия кометы Харли 2 от многих других комет в Солнечной системе заключается в месте ее рождения. Как считается, родилась она далеко за орбитой Плутона — самой далекой в системе планеты. Она родилась в Поясе Койпера, где и сейчас обитает масса комет. В то же время, большинство ранее исследованных комет зародились где-то между орбитами Сатурна и Юпитера или же были затянуты в этот регион громадной гравитацией двух этих планет-гигантов.

Специалисты из Японии выдвинули новую теорию происхождения воды на земле. Они считают, что вода, а именно ее появление на нашей планете, никак не связана с космосом. Японские ученые предположили, что на начальном этапе формирования в структуре земли находились целые водородные пласты, которые вступали в химическую реакцию с кислородом, присутствующим в земельной мантии. В результате этого взаимодействия на планете и появилась вода, причем в огромных количествах.

Сразу после формирования планета стала горячей и была крайне сухой. Участие комет и астероидов в формировании водного пространства на территории земли не исключается. Появление океанов произошло уже после окончательного формирования планеты. Именно благодаря кометам и астероидам, атаковавшим землю и приносившим воду и появились столь большие водные пространства, которые сейчас заполняют большую часть нашей планеты.

Японские ученые уверены, что вода имеет как раз таки земное происхождение. Благодаря проводимым исследованиям удалось установить, что структура природной естественной воды имеет большое количество дейтерия (тяжелого водорода). Возникновение дейтерия обусловлено протеканием реакций с водой, в результате чего небольшое количество водородных атомов получает дополнительный электрон и становится дейтерием. Именно этот фактор является свидетельством земного происхождения воды. Именно этот фактор и является подтверждением того, что вода возникла именно на земле, а не была принесена из космоса.

Утверждение, что наша планета на стадии своего формирования имела водородную атмосферу, было подтверждено в результате анализа земляной орбиты. Сегодняшняя орбита Земли, также как и Марса с Венерой округлая, однако раньше она была немного вытянутой, потому что солнечное притяжение не сильно действовало на планеты, недавно образованные в Солнечной системе.

Согласно теории О. Ю. Шмидта, планеты Солнечной системы образовались, из холодного газопылевого облака, захваченного некогда Солнцем. После первичных процессов преобразования вещества облака в более крупные частицы — рой метеоритов — Земля, как и все планеты, формировалась в результате агломерации холодного метеоритного вещества. Разогрев Земли, начавшийся на некоторой стадии ее формирования, обусловленный в основном радиоактивными процессами в ее недрах, привел к плавлению вещества планеты и дифференциации его на ряд оболочек.

По теории А. П. Виноградова, внешние оболочки Земли образовались в процессе зонного проплавления ее мантии. При зонном плавлении вещество планеты разделяется на легкоплавкую фазу, движущуюся к поверхности, и тугоплавкую. Легкоплавкая фаза соответствует земному базальтическому веществу, а тугоплавкая — ультраосновным породам (перидотитам и дунитам). Одновременно с процессом выплавления происходит и процесс дегазации летучих компонентов: воды, паров, газов из мантии Земли. В составе легкоплавкого вещества к поверхности планеты двигалась и вода, а вместе с ней и другие летучие компоненты.

Выход воды и газов (CO2, NH3, SO2, CH4 и др.) происходил во время вулканических извержений, сопровождая излияние базальтов. Вулканические газы на 90% состоят из воды. На каждую единицу объема излившихся базальтов приходится 20% воды. Эта вода и заполнила постепенно первичную чашу океана.

Вода — сильный растворитель пород Земли. В период зонного плавления и последующего формирования внешних оболочек, в момент обособления воды в самостоятельную фазу, где-то еще не доходя до поверхности и в период выхода на поверхность, условия для растворения вещества Земли были особенно благоприятны, и поэтому уже первичные воды океана — их называют ювенильными — были солеными с концентрацией основных элементов, близкой к современной.

Восстановление химического состава ювенильного раствора было осуществлено исходя из состава летучих компонентов в основном составном минерале Земли — хондритах. Последующий процесс формирования химического состава вод Мирового океана определялся в основном взаимодействием их с воздушной средой, дном океана, а также стоком воды с материков, разрушающей и растворяющей материалы, находящиеся на их поверхности.

Анионы в морской воде образовались за счет кислых газов, поступающих в атмосферу, и после растворения в воде осадков, выпадающих непосредственно в океан. Катионы образовались в результате разрушения кислыми растворами горных пород.

Вещества, растворяемые водой на материках и сбрасываемые речным стоком в океан, разделяются на две группы: вещества, которые гидролизуются в морской воде, коагулируют и выпадают в осадок невдалеке от береговой черты, и вещества, дающие растворимые соли, ионные и вообще хорошо растворимые соединения, распространяющиеся по всему океану. Содержание первых в морской воде меньше, чем в речной, наоборот, концентрация вторых в морской воде на несколько порядков выше концентрации их в воде речной.

Гидролизующиеся вещества содержатся в толще воды недолго, растворимые же накапливаются, и время их пребывания в водах океана соизмеримо для некоторых ионов с возрастом его. Учитывая ничтожную концентрацию их в материковом стоке, процесс накопления в океане идет настолько медленно, что содержание их в современных водах мало отличается от содержания в ювенильном растворе.

Как показывает сравнение ювенильного и современного растворов воды океанов, содержание таких элементов, как хлор и бром, со временем практически не изменилось. Больше всего изменилось — уменьшилось — содержание углерода. Следовательно, именно потерю углерода можно считать основным процессом эволюции химического состава вод Мирового океана.

М. Г. Валяшко предложил схему для описания этой эволюции. Реакция I происходила с момента возникновения океана. Реакция II — значительно позже, когда возникла жизнь на Земле, т. е. 3−3,5 млрд. лет назад. С появлением кислорода как продукта фотосинтеза совпадает наиболее интенсивное изменение и общего химического состава вод океана. Восстановительная форма существования ряда элементов заменилась окислительной. Стабилизация химического состава океана следовала за стабилизацией нового состава атмосферы. Химический состав океана оказался очень постоянным по концентрации для всех открытых областей Мирового океана и практически везде по составу солей и их весовому отношению. Есть основания считать, что это произошло не менее 1,5 млрд. лет тому назад, а возможно еще раньше.

В Мировом океане непрерывно идет сложный процесс накопления и выпадения солей, обусловленный и общими для океана и локальными процессами. Однако, все больше и больше накапливается данных, подтверждающих вывод В. И. Вернадского, считавшего химический состав океана планетной константой.

Энергия сжатия не может поступать бесконечно, так как процесс увеличения плотности Земли конечный. То же можно сказать и о химических реакциях во внутренних сферах Земли, протекающих с выделением тепла.

Первый из двух указанных источников можно также признать конечным в замкнутой системе реакций. Но приращение массы Земли за счет вещества, поступающего из Космоса, позволяет этот источник считать бесконечным, хотя и вторичным по своему генезису.

Мы остановились подробно на характеристике энергетической основы дифференциации геосфер потому, что она определяет возможность процесса выделения воды из глубоких недр Земли и его интенсивность. Таким образом, пока нет оснований предполагать значительное уменьшение энергетических ресурсов Земли, которое бы существенно замедлило подъем воды из глубоких недр Земли на ее поверхность. Согласно изложенным выше концепциям, вода есть продукт саморазвития природы внутренних сфер Земли, образующийся вследствие изменения химического состава элементарного межпланетного вещества, которое состоит в основном из простейших атомов Вселенной — атомов водорода.