Горячая мантия ранней Земли – основание существования глобального океана

Согласно новому исследованию, обширный глобальный океан мог покрывать раннюю Землю в раннем архейском эоне, от 4 до 3,2 миллиарда лет назад, что является побочным эффектом более горячей мантии, чем сегодня, - пишет eurekalert.org со ссылкой на AGU Advances.

По словам авторов исследования, новые результаты ставят под сомнение более ранние предположения о том, что размер глобального океана Земли оставался постоянным с течением времени, и дают ключ к разгадке того, как его размер мог изменяться в течение геологического времени.

Большая часть поверхностных вод Земли находится в океанах. Но есть второй резервуар с водой глубоко внутри Земли в виде водорода и кислорода, присоединенных к минералам в мантии.

Новое исследование оценивает, сколько воды потенциально могла удерживать мантия сегодня и сколько воды она могла хранить в прошлом.

Результаты показывают, что, поскольку ранняя Земля была горячее, чем сегодня, ее мантия могла содержать меньше воды, потому что минералы мантии удерживают меньше воды при более высоких температурах. Если предположить, что в настоящее время мантия более чем в 0,3-0,8 раза превышает массу океана, более крупный поверхностный океан мог существовать во время раннего архея. В то время температура мантии составляла около 1900–3000 градусов по Кельвину (2960–4940 градусов по Фаренгейту) по сравнению с 1600–2600 градусами Кельвина (2420–4220 градусов по Фаренгейту) сегодня.

По мнению авторов, если бы на ранней Земле был океан большего размера, чем сегодня, это могло бы изменить состав ранней атмосферы и уменьшить количество солнечного света, отражающегося обратно в космос. Эти факторы повлияли бы на климат и среду обитания, в которой зародилась жизнь на Земле.

«Иногда легко забыть, что глубокие недра планеты на самом деле важны для того, что происходит с поверхностью», - сказала Ребекка Фишер, физик-минерал из Гарвардского университета и соавтор нового исследования.

Уровень моря на Земле оставался довольно постоянным в течение последних 541 миллиона лет. Уровни моря из более ранней истории Земли оценить сложнее, потому что из архейского эона сохранилось мало свидетельств. В течение геологического времени вода может перемещаться с поверхности океана во внутренние районы через тектонику плит, но размер этого потока воды не совсем понятен. Из-за этой нехватки информации ученые предположили, что размер глобального океана останется постоянным в течение геологического времени.

В новом исследовании соавтор Джунджи Донг, физик-минералог из Гарвардского университета, разработал модель для оценки общего количества воды, которое мантия Земли может потенциально хранить в зависимости от ее температуры. Он включил существующие данные о том, сколько воды могут хранить различные минералы мантии, и рассмотрел, какие из этих 23 минералов встречались на разных глубинах и в разное время в прошлом Земли. Затем он и его соавторы связали эти оценки хранения с объемом поверхности океана по мере охлаждения Земли.

Джун Коренага, геофизик из Йельского университета, который не принимал участия в исследовании, сказал, что это первый раз, когда ученые связывают данные физики минералов о хранении воды в мантии с размером океана. «Эта связь никогда не рассматривалась в прошлом», - сказал он.

Донг и Фишер отмечают, что их оценки емкости мантии по хранению воды несут большую неопределенность. Например, ученые не до конца понимают, сколько воды может храниться в бриджманите - главном минерале мантии.

Новые результаты проливают свет на то, как глобальный океан мог измениться с течением времени, и могут помочь ученым лучше понять водные циклы на Земле и других планетах, что может быть полезно для понимания того, где может развиваться жизнь.

«Определенно полезно знать что-то количественное об эволюции глобального водного баланса, - сказала Сьюзан ван дер Ли, сейсмолог Северо-Западного университета, не участвовавшая в исследовании. - Я думаю, что это важно для мелких сейсмологов, таких как я, которые делают изображения текущей структуры мантии и оценивают ее содержание воды, но это также важно для людей, охотящихся за водоносными экзопланетами и спрашивающих о происхождении нашей воды».

Донг и Фишер теперь используют тот же подход, чтобы вычислить, сколько воды может удерживаться внутри Марса.

«Сегодня Марс выглядит очень холодным и сухим, - сказал Донг. - Но многие геохимические и геоморфологические данные свидетельствуют о том, что ранний Марс мог содержать немного воды на поверхности - и даже небольшой океан - поэтому есть большой интерес к пониманию круговорота воды на Марсе».

[Фото: eurekalert.org]