Новое понимание происхождения планеты Земля

Впервые международная команда исследователей включила обширные геохимические данные о формировании Земли в модель, что привело к неожиданным результатам: для процесса аккреции Земли может быть использовано больше моделей, чем предполагалось ранее.

Земля образовалась в период формирования нашей Солнечной системы в результате столкновений протопланет размером с Марс и Луну, что привело к постепенному «росту» планеты. Однако среди экспертов ведутся споры о том, сколько времени заняло достижение Землей её окончательного размера и как именно протекала аккреция. «Новейшие модели показывают, что период аккреции около 100 миллионов лет наиболее согласуется с формированием Луны и Земли», — говорит Бернар Бурдон, профессор Института геохимии и петрологии ETH Zurich в Швейцарии. Существуют также модели, которые явно предполагают, что Земля достигла 70% своего размера всего за 10 миллионов лет.

Модели быстрой аккреции Земли должны исходить из базового предположения, что сталкивающиеся протопланеты полностью смешивались друг с другом при формировании Земли и достигали химического равновесия между элементами в металлическом ядре и силикатной мантии планеты, объясняет Бурдон. Это произошло бы, когда сидерофильные («любящие железо») элементы опускались к центру Земли, а литофильные («силикатолюбивые») элементы оставались в мантии.

Учёный сомневался, что Земля могла эволюционировать всего за 10 миллионов лет. Вместе с приглашённым учёным из Кембриджа Джоном Раджем и Торстеном Кляйне, в то время коллегой Бурдона, а ныне профессором Мюнстерского университета, он попытался проверить теорию, впервые полностью учтя все известные параметры в модели: с одной стороны, радиоактивные «часы» гафния-вольфрама и урана-свинца; с другой — распределение химических элементов между ядром и мантией. Это распределение зависит от условий давления и температуры во время формирования ядра, которые, вероятно, менялись в ходе аккреции. Таким образом, условия формирования ядра можно экстраполировать из распределения элементов в недрах Земли.

В своём исследовании, опубликованном в Nature Geoscience, Бурдон и его команда теперь демонстрируют, что существует несколько моделей, совместимых с химическими наблюдениями. Примечательно, что для этого не требуется полного равновесия между металлами и силикатами: «До сих пор всегда предполагалось, что распределение элементов можно объяснить только равновесием; мы же показываем, что распределение так же легко объяснить в условиях неравновесия», — говорит Торстен Кляйне.

Наблюдения также совместимы с состоянием равновесия всего около 40%; это означает, что ядра сталкивающихся протопланет могли достигать ядра Земли напрямую без значительного уравновешивания с мантией Земли. Для Бурдона ключевым является то, что результаты показывают, что представление о полном равновесии может быть ошибочным, поскольку неравновесие потребовало бы больше времени для полной аккреции Земли, что лучше согласуется со временем формирования Луны. «Если мы предположим, что мантия Земли сохранила сигнатуры протопланет, окончание аккреции Земли и возраст Луны совпадают», — говорит Кляйне.

Разница в возрасте всегда озадачивала учёных; в конце концов, завершение аккреции Земли должно фактически совпадать с возрастом Луны, так как оно было вызвано ударом протопланеты размером с Марс, которая и сформировала Луну. Предполагается, что «радиоактивные часы» были частично сброшены этой катастрофической коллизией. Согласно новому исследованию, большая часть Земли, вероятно, сформировалась быстро; однако для достижения завершённой формы в целом потребовалось не менее 100 миллионов лет. Быстрая аккреция в начале и медленное завершение согласуются со временем формирования Луны, говорит Бурдон.