🌍 Вызов Вселенной: Откуда на самом деле взялась вода на Земле?

Вода – самое распространенное и самое загадочное вещество на Земле. Более 70 % поверхности нашей планеты покрыто водами Мирового океана. А всегда ли вода была на нашей планете? Или она появилась значительно позже, чем сформировалась Земля? Что стало причиной или условием ее появления?

Сегодня существует довольно много гипотез происхождения воды на Земле, только некоторые из них признаны наукой как наиболее вероятные. Одно из самых распространенных предположений гласит, что вода имеет так называемое ювенильное (земное) происхождение. Другими словами, вода появилась на планете в результате дегазации земной коры и верхней мантии.Но с развитием научно-технической базы космических исследований все большее подтверждение получает другая гипотеза появления воды.

Научный сотрудник Камчатского филиала Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба РАН» Кузьмин Юрий Дмитриевич и член-корреспондент РАН, доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник (Дальневосточный геологический институт ДВО РАН) Сахно Владимир Георгиевич предлагают нашему вниманию интересную работу, в которой излагают другую точку зрения на этот вопрос. Статья опубликована в №2 журнала «Вестник ДВО РАН» за 2020 год.

Вода – удивительное вещество не только на планете Земля, но и на всех планетах земной группы Солнечной системы. В природе вода –бинарное химическое соединение, почти все физико-химические свойства которого являются исключением относительно других веществ. И чем больше человек узнает о свойствах воды, тем больше убеждается в их неисчерпаемости.

В своей работе авторы концептуально излагают свой взгляд на происхождение воды на Земле, планетах земной группы и их эволюцию с участием воды. Кузьмин отмечает, что в результате исследования этого вопроса было предложено другое видение происхождения воды в Солнечной системе, гипотеза, отличная от общепринятого планетного происхождения воды за счет дегидратации метеоритно-кометного вещества мантии под действием высоких температур и последующей дегазации на поверхность.

Для удобства эту общепринятую теорию авторы статьи называют гипотеза 1, а свое предположение гипотеза 2. Изучение данных гипотез, по мнению Кузьмина и Сахно, должно привести к пониманию логически последовательных процессов образования водных оболочек и предполагаемых этапов развития Земли и планет земной группы.

Гипотеза 2 о происхождении воды на планетах земной группы базируется на экспериментах и разработанной отечественными и иностранными учеными теории взаимодействия водорода с кислородом, а также на изотопных исследованиях воды в разных средах.

Это предположение основано на изначально холодном образовании планет Солнечной системы, в том числе планет земной группы, на которых последующий нагрев твердых поверхностей Солнцем способствовал образованию воды и развитию геологических процессов, характерных для каждой планеты.

Предположения, высказанные в этой гипотезе, согласуются с взглядами В.И. Вернадского: «Важен основной вывод. Наша планета должна быть рассматриваема в Космосе как тело холодное, а не тело высокой температуры, как этому учат в геологии». Механизмы поступления воды на поверхность Земли заставляют по-разному оценивать возраст воды и земной коры, процессы образования континентов и океанов.

Два основных фактора определяют геологическую и биологическую жизнь на Земле: тепло и вода. Вода с ее уникальными свойствами обеспечивает практически все явления и процессы в эволюции живой и неживой природы на планете. Вода не только является составной частью геологических и биологических веществ, но и принимает активное участие в их эволюции, преобразуя в другие вещества.

Как появилась вода на Земле и в Солнечной системе, какую роль она играет в геологической эволюции Земли? Направление, в котором следует искать ответы на эти вопросы, определил еще В.И. Вернадский: «… мы должны теперь держать в голове те космогонические представления и учитывать те гипотезы о значении воды, которые допускают научную проверку, позволяют искать факты ее истории, не учитываемые в современном – неполном – представлении о ее земной роли».

Некоторое время спустя появились работы Н.Н. Семенова (оставшиеся по большей части никем не замеченными), в которых экспериментально показан механизм и разработана теория цепных и тепловых реакций образования воды из водорода и кислорода. Эти работы, при правильной их интерпретации, по мнению Кузьмина и Сахно, дают представление о механизме, среде и условиях образования воды.

Исследователи утверждают, что результаты этих экспериментов настолько новы, что, чтобы привязать их к происхождению воды на Земле, необходимо было отказаться от существующих гипотез происхождения Солнечной системы и ее планет из газопылевого облака за счет его сжатия. В межзвездной среде из-за очень малой плотности космического вещества без внешних воздействий это сделать невозможно.

Поэтому нужно было предложить новый механизм образования Солнца и планет Солнечной системы, который смог бы создать среду и условия, подобные существующим в экспериментах Н.Н. Семенова и его коллег. На основании работ Н.Н. Семенова, а также В.И. Ферронского и их коллег в нашей стране и за рубежом, и данных, полученных с космических летательных аппаратов, было предложено новое видение происхождения планет Солнечной системы и воды в виде гипотезы 2.

Основные положения данной гипотезы во многом совпадают с взглядами В.И. Вернадского о Земле. Напомним их:

• Все представления об огненно-жидком и расплавленном состоянии неверны и от них следует отказаться.
• Геологические процессы и явления, наблюдаемые в земной коре, не могут быть перенесены на глубокие части планеты без поправок, так как вещество ниже земной коры находится в низкотемпературных условиях в состоянии химической инертности. Земная кора в известной мере является самостоятельной самоорганизующейся системой.
• В земной коре наблюдается резкая неоднородность ее вещества, и в ней же проявляется максимальная земная температура, которая понижается к центру планеты. За пределами земной коры в глубине Земли возможна и очень высокая, и очень низкая температура. Это область гипотез и схем.

Известно, что опытами ученых Г. Кавендиш, А. Лавуазье, А. Гумбольда, Гей-Люсака была получена формула воды (Н2О) и рассчитан ее молекулярный вес, равный 18. Было установлено, что в природе вода – это устойчивое бинарное химическое соединение водорода с кислородом. При определенных термодинамических условиях происходит экзотермическая реакция образования воды с большим выделением тепла. Это окислительно-восстановительная химическая реакция, где вода является одновременно окислителем и восстановителем.

Молекула воды состоит из 11,19 % водорода и 88,8 % кислорода. Химические и физические свойства воды определяются ее составом и строением. Так, температура замерзания воды равна 0 °С, температура кипения 100 °С, критическая точка воды, при которой она может существовать только в газовой фазе, соответствует температуре 374 °С и давлению 218,5 атм.

Авторы статьи обращают наше внимание на такой параметр воды, как термическая диссоциация, представляющий собой температурное разложение воды на водород и кислород. По отношению к нагреванию вода – очень устойчивое соединение. Термическая диссоциация протекает с поглощением теплоты.

Кроме того, вода разлагается на водород и кислород под действием ультрафиолетового излучения (фотохимическая диссоциация) и электрического тока.

На Земле вода находится в газообразном, жидком и твердом состояниях. В жидком состоянии вода – прозрачное, бесцветное (в небольших объемах), текучее вещество без запаха, она принимает любую форму, в которую ее налить, растворяет многие вещества, может замерзать, испаряться, расширяться, сжиматься и имеет самую высокую из земных веществ теплоемкость.

По своим свойствам вода – изотропное вещество. Более подробно вопросы образования воды из водорода и кислорода были рассмотрены в начале XX в. в экспериментах отечественных и иностранных ученых, что позволило создать теорию теплового и цепного горения. За эти работы Н.Н. Семенову и его коллеге из Великобритании С.Н. Хиншелвуду в 1956 г. присуждена Нобелевская премия по химии.

Информация, полученная в экспериментах по синтезу воды из водорода и кислорода, дает основание для возникновения вопроса: откуда взялась вода в Солнечной системе. Если с наличием поверхностного нагрева планет Солнцем в Солнечной системе все более или менее ясно, то вопрос о происхождении воды и источнике внутреннего тепла Земли остается пока открытым.

Общепринятой считается гипотеза происхождения воды в атмосфере и гидросфере Земли за счет дегидратации мантии, состоящей из вещества метеоритов и комет, при высоких температурах и последующей дегазации водяных паров на поверхность Земли (гипотеза 1). Попробуем изложить это предположение в общих чертах.

Сегодня известно, что формирование нашей планеты началось около 4,6 млрд. лет назад. По геологическим меркам, формирование Земли произошло очень быстро: 93-95% сегодняшней массы наша планета достигла за первые сто миллионов лет своей истории. Скорее всего, в самом начале своего существования Земля не имела атмосферы и гидросферы, а ее поверхность регулярно подвергалась метеоритной бомбардировке.

В процессе образования планеты происходило настолько сильное гравитационное сжатие и выделение такого огромного количества тепла, что первые сотни миллионов лет на Земле существовал магматический океан в виде расплавленной первичной астеносферы. Постепенно в расплавленной магме наиболее тяжелые вещества погружались и образовали железное ядро планеты, менее же плотные всплывали, создавая мантию и литосферу.

Этот процесс сопровождался дегазацией мантийного вещества, кипящие фракции переходили в газообразное состояние и формировали первичную плотную и горячую атмосферу нашей планеты. Вероятнее всего, изначально земная атмосфера состояла из углекислого газа, аммиака, сернистого и хлористого водорода, но самым важным было то, что в ней появился водяной пар, количество которого постоянно росло.

Источники внутреннего тепла Земли постепенно истощались, магма остывала, образуя земную кору. Верхние слои планеты продолжали остывать, температура опустилась ниже точки кипения, а это вызвало неизбежную конденсацию водяного пара и появление жидкой фазы воды. Вполне возможно, что первые земные водоемы периодически испарялись и появлялись вновь, пока температурный режим планеты окончательно не стабилизировался.

Сегодня уже известно, говорят авторы статьи, что физико-математические расчеты не подтверждают возможность образования Земли из метеоритов и комет. Изотопные отношения водорода и кислорода являются единственными характеристиками вещественного состава природных вод, позволяющими изучать историю гидросферы прямыми методами.

Работы отечественных и зарубежных исследователей по изотопии воды показали, что вода на Земле имеет метеорное, т.е. атмофильное образование (поверхностное), а не ювенильное (земное) происхождение, т.е. в недрах планеты, как считали и считают геологи и геофизики, согласно общепринятой метеоритно-кометной гипотезе 1.

Таким образом, на основании указанных работ можно сделать вывод, что наблюдаемые изотопные отношения водорода и кислорода воды не согласуются с дегазационной гипотезой происхождения газоводяной оболочки Земли. Полученная информация по изотопии воды согласуется как раз с данными Н.Н. Семенова и его коллег и предполагает другие подходы в вопросах, связанных с происхождением воды на Земле и участием ее в земных процессах.

В работах показано, что вода образуется при температурах более 400 °С и давлениях, составляющих первые миллиметры ртутного столба. Следовательно, в низкотемпературных и сверхразряженных межзвездных и межпланетных космических средах вода образовываться не может.

Результаты экспериментов и новая информация о планетах Солнечной системы, полученная с помощью космических летательных аппаратов, заставляют задуматься и искать иные подходы к объяснению образования уникального вещества Солнечной системы – воды и внутреннего тепла планеты.

Что же лежит в основе гипотезы 2, предложенной авторами статьи? Новое предположение позволяет уйти от метеоритно-кометного происхождения воды на планете Земля и планетах земной группы. Образование Солнечной системы началось в результате взрыва сверхновой (звезды) и выброшенного газопылевого вещества в виде вращающегося спиралевидного образования – космического вихря.

В результате момента импульса движения, полученного от взрыва сверхновой, в этом вихре первого рода за счет центростремительной силы начала формироваться растущая вращающаяся центральная газовая масса. Рост этой массы увеличивал гравитационную силу притяжения, которая последовательно вытягивала из газопылевой протоструи частицы, начиная с водорода, гелия и далее более тяжелых элементов – продуктов взрыва сверхновой.

Это привело к отделению частиц в протоструе по массам. Основная масса газовых частиц протоспирали была стянута в центральную вращающуюся массу, а пылевые частицы образовали сегмент протоспирали, в основном состоящий из них. При достижении центральной массой критического значения произошел коллапс с образованием новой звезды – Солнца.

Солнце сконцентрировало в себе 99,8 % массы протоспирали. Ударная волна взрыва, образовавшего Солнце, разорвала оставшуюся часть протоспирали на вращающиеся по разноудаленным орбитам вихри – будущие планеты Солнечной системы с определенными моментами импульса движения, которые определили скорости движения планет по орбитам и скорости их вращения вокруг своих осей. Разрывы пылевого сегмента протоструи образовали вихри вращения пылевых частиц, из которых образовались планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс).

Из оставшегося газового сегмента протоструи, находящегося за пылевым сегментом, образовались массивные газовые планеты Солнечной системы (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Таким образом, каждый образовавшийся вихрь будет двигаться по своей орбите с определенной скоростью вращения вокруг Солнца и одновременным односторонним вращением вокруг собственных осей.

Холодные поверхности образовавшихся планет нагревались за счет солнечного излучения, создавая температурные условия, необходимые для активации газофазных реакций горения водорода с кислородом с образованием воды, которая создала высокотемпературные водонасыщенные атмосферы. Остывание атмосферы привело к конденсации и выпадению воды в виде осадков, которые образовали горячую пресную водную оболочку Земли и планет земной группы.

По мере исчерпания водорода и кислорода в химических реакциях планетного пространства и остывания поверхности планет образование воды прекратилось, прекратился и рост водных оболочек. Это предположение согласуется с постулатом В.И. Вернадского: «Масса воды есть характерная постоянная нашей планеты».

Таким образом, на Земле образовалась огромная масса пресной воды, покрывающая три четверти ее поверхности. Как отмечал В.И. Вернадский, «образование сплошной массы воды весом 1.6×1018 тонн необъяснимо ни одной из геогенических теорий, но существовало в тех же размерах с среднеархейской эры, а вероятно, геологически искони».

Следует отметить, что кроме двух рассмотренных в статье гипотез, существуют и другие, хотя и менее популярные. На какие-то вопросы ответы найдены, какие-то еще предстоит решить. Очевидно одно: самое известное вещество на планете хранит еще очень много тайн.