Chemische reacties op de vroege aarde hebben mogelijk de oceaan gevormd – Ars Technica

Water heeft de aarde gemaakt tot wat ze is: een planeet die bekend staat om haar blauwe oceanen. Water vormt de aarde door erosie en is essentieel voor het vermogen van de aarde om leven te ondersteunen. Maar we kunnen maar moeilijk begrijpen hoe de aarde met al dat water terecht is gekomen, aangezien de bouwstenen die het hebben gemaakt waarschijnlijk zijn opgedroogd en de botsingen die deze bouwstenen in een planeet hebben veranderd, elk oppervlaktewater de ruimte in zouden moeten hebben geduwd. .

Er zijn verschillende manieren voorgesteld om water naar de aarde te brengen nadat het is gevormd. Maar een nieuwe studie neemt informatie die is verkregen uit het onderzoeken van exoplaneten en past deze toe op de aarde. De resultaten geven aan dat de chemische reacties die zouden hebben plaatsgevonden tijdens de vorming van de aarde voldoende water zouden hebben geproduceerd om de oceanen van de wereld te vullen. En als bijkomend voordeel verklaart het model de ietwat vreemde dichtheid van de kern van de aarde.

waterbestendig

De aarde lijkt voornamelijk te zijn gemaakt van materialen in het binnenste zonnestelsel. Niet alleen zat dat materiaal op de juiste plaats, maar het materiaal in asteroïden in de regio zorgde ook voor een goede match in termen van hun elementaire en isotopensamenstelling. Maar dit materiaal is ook erg droog. Dit is geen verrassing. De temperaturen in deze regio zouden hebben voorkomen dat het water condenseerde tot een vaste stof, zoals het kan voorkomen in het zonnestelsel, voorbij een punt dat bekend staat als de “ijslijn” van water.

Al het water in de ruimte zou verloren zijn gegaan, aangezien wordt aangenomen dat het planeetvormingsproces plaatsvond door botsingen tussen kleine lichamen, waarbij grotere lichamen geleidelijk groter werden naarmate kleinere lichamen ermee bleven botsen. Veel van het water in deze objecten zou verdampen en mogelijk verloren gaan in de ruimte.

Maar drie onderzoekers (Edward Young, Anat Shahar en Hilke Schlichting) richtten zich op een extra factor die aanwezig zou kunnen zijn geweest tijdens de vorming van het zonnestelsel: waterstof. Aangenomen wordt dat waterstof in grote hoeveelheden aanwezig is tijdens de vroege periode van planeetvorming, maar vervolgens wordt weggeduwd door de straling die vrijkomt zodra de centrale ster ontsteekt. In ons zonnestelsel werd een deel ervan opgevangen door de buitenste planeten voordat het verloren ging. Maar onze binnenplaneten lijken vroeg in hun geschiedenis gevormd te zijn met weinig of geen elementen.

Maar een blik op de exoplaneten suggereert dat dit geen onvermijdelijk lot is. We hebben verschillende superrotsachtige planeten gevonden die ook geen waterstofrijke atmosfeer lijken te hebben. Maar er is een opening van ongeveer twee keer de straal van de aarde waar we veel jonge Neptunus zien, die een dikke, waarschijnlijk waterstofrijke atmosfeer lijkt te hebben behouden. Dit heeft geleid tot de suggestie dat alle rotsachtige planeten in een waterstofrijke omgeving beginnen en daaruit hun eerste atmosfeer vormen. Maar onder een bepaalde grootte gaat deze waterstof later in hun geschiedenis verloren. Alle atmosferen die op deze planeten aanwezig zijn, zijn waarschijnlijk het resultaat van secundaire vorming.

Als we dat tot zijn logische conclusie brengen, kan de aarde ook zijn begonnen met een waterstofrijke atmosfeer. Daarom besloten de onderzoekers betrokken bij de nieuwe studie om te kijken wat de gevolgen van dit scenario zouden kunnen zijn.

Planetaire chemie

Om dit idee te onderzoeken, modelleerden de onderzoekers in wezen een gigantische chemische reactor gevuld met de meeste componenten van de vroege aarde en uitgebreid tot de grootte van een grote aardse voorloper (half zo groot als de huidige aarde). Dit omvat zaken als ijzeroxiden, natrium, verschillende silicaten, koolstofdioxide, methaan, zuurstof en meer. Dit alles werd onder een waterstofrijke atmosfeer geplaatst en verwarmd om oceanen van magma te reflecteren van de herhaalde botsingen die plaatsvonden tijdens de vorming van de planeet.

Deze periode duurde waarschijnlijk tientallen miljoenen jaren, deels omdat waterstofatmosferen de neiging hebben om warmte heel goed vast te houden (ze kunnen fungeren als een broeikasgas). Dit geeft de chemische reacties die plaatsvinden – 18 waarvan de onderzoekers hebben gevolgd – tijd om een ​​evenwicht te bereiken en genoeg tijd voor de verschillende materialen in het binnenste van de planeet om zich op te splitsen op basis van dichtheid.

Een van de dingen die gebeuren, is dat veel elementen in de ijzeren kern worden opgenomen, waaronder zuurstof, silicium en waterstof. Omdat deze allemaal minder dicht zijn dan ijzer, heeft dit tot gevolg dat de kern minder dicht is dan wanneer het puur ijzer zou zijn – wat waar is voor de werkelijke aarde.

Bij sommige reacties omvat het samensmelten van waterstof de verdringing van zuurstof, en het bijproduct van deze reacties is water. Onder de hier onderzochte omstandigheden produceren de reacties hetzelfde volume als in de huidige oceanen van de aarde. “Zelfs als de rotsen in het binnenste zonnestelsel helemaal droog zijn”, schreven de onderzoekers, de reacties tussen H.₂ De atmosfeer en magma-oceanen zullen overvloedige hoeveelheden H₂O. Andere bronnen van H₂O is mogelijk, maar niet verplicht.

modelleringslimieten

Aan de positieve kant werkt de simulatie met een breed temperatuurbereik – er is alleen voldoende warmte nodig om de planeet te laten smelten terwijl de hier beschreven processen een evenwicht bereiken. Het werkt ook voor verschillende maten voorlopers, maar het mislukt als de voorloper te klein is. Dit komt overeen met de extreme droogte van Mars en Mercurius. De primaire variabele eindigt met de hoeveelheid water die wordt geproduceerd; Als er meer waterstof in de kern terecht zou komen, zou er gemakkelijk een waterwereld kunnen ontstaan ​​die drie keer zo groot is als de huidige oceanen.

Hoewel het model robuust is voor veel veranderingen in de begincondities, wordt het beperkt doordat het geen volledig beeld geeft van de chemie van de vroege aarde. Het is vermeldenswaard dat zwavel en stikstof een belangrijke rol hebben gespeeld in de chemie van de aarde.

Maar de grote kloof in het model is wat er gebeurt nadat water is gevormd. Omdat er een oceaan van magma is, komt het in de atmosfeer terecht, waar het door zonnestraling kan worden afgesplitst en verloren kan gaan als de waterstof in het zonnestelsel inderdaad vervliegt. Hetzelfde geldt voor eventuele nawerkingen die de planeet hebben opgewarmd, zoals de gigantische inslag die de maan heeft gevormd. Als er nog voldoende waterstof is, is dit geen probleem omdat het water dit kan oplossen. De onderzoekers halen onderzoek aan dat aantoont dat een waterrijke atmosfeer zelfs een enorme impact kan overleven. Ten slotte kun je je omstandigheden voorstellen waarin aanvankelijk een overmaat aan water werd geproduceerd, maar door deze processen ging er genoeg verloren om de aarde in haar huidige staat te laten.

Dus terwijl het produceren van water geen fijnafstemming van de omstandigheden vereist, kan het vasthouden ervan dat wel.

Maar de implicaties voor werelden buiten de onze lijken iets groter. Deze resultaten geven aan dat tijdens de vorming van rotsachtige planeten een breed scala aan beginvoorwaarden water moet hebben geproduceerd. Daarom, als we denken aan planeten in exosystemen, is het misschien meer twijfelachtig om te vragen of ze omstandigheden hebben ervaren waardoor ze water zouden hebben verloren dan om te vragen of ze er überhaupt water hadden kunnen hebben.

Natuur, 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-05823-0 (over DOI’s).