История воды на Земле
Одним из факторов, определяющих, когда вода появилась на Земле, является то, что вода постоянно теряется в космосе. Молекулы H2o в атмосфере расщепляются в результате фотолиза, и образующиеся в результате свободные атомы водорода иногда могут избежать гравитационного притяжения Земли (см.: Выход в атмосферу). Когда Земля была моложе и менее массивной, вода легче терялась бы в космосе. Ожидается, что более легкие элементы, такие как водород и гелий, будут постоянно вытекать из атмосферы, но изотопные соотношения более тяжелых благородных газов в современной атмосфере предполагают, что даже более тяжелые элементы в ранней атмосфере подвергались значительным потерям. В частности, ксенон полезен для расчетов потерь воды с течением времени. Это не только благородный газ (и, следовательно, не удаляется из атмосферы в результате химических реакций с другими элементами), но и сравнение содержания его девяти стабильных изотопов в современной атмосфере показывает, что Земля потеряла по крайней мере один океан воды в начале своей истории, между хадейской и архейской эпохами.
Любая вода на Земле во время последней части ее аккреции была бы разрушена в результате удара, образующего Луну (~ 4,5 миллиарда лет назад), который, вероятно, испарил большую часть земной коры и верхней мантии и создал каменно-паровую атмосферу вокруг молодой планеты. Пары горных пород конденсировались бы в течение двух тысяч лет, оставляя после себя горячие летучие вещества, которые, вероятно, привели к образованию атмосферы из диоксида углерода с водородом и водяным паром. Впоследствии, возможно, существовали океаны с жидкой водой, несмотря на температуру поверхности 230 ° C из-за повышенного атмосферного давления атмосферы CO2. По мере продолжения охлаждения большая часть CO2 была удалена из атмосферы путем субдукции и растворения в океанской воде, но уровни сильно колебались по мере появления новых поверхностных и мантийных циклов.
Геологические данные также помогают определить временные рамки существования жидкой воды на Земле. Образец подушечного базальта (тип породы, образовавшейся во время подводного извержения) был извлечен из зеленокаменного пояса Исуа и свидетельствует о том, что вода существовала на Земле 3,8 миллиарда лет назад. В зеленокаменном поясе Нуввуагиттук, Квебек, Канада, породы возрастом 3,8 миллиарда лет, согласно одному исследованию, и 4,28 миллиарда лет, согласно другому, свидетельствуют о присутствии воды в этих возрастах. Если океаны существовали раньше, какие-либо геологические доказательства еще предстоит обнаружить (что может быть связано с тем, что такие потенциальные доказательства были уничтожены геологическими процессами, такими как переработка земной коры). Совсем недавно, в августе 2020 года, исследователи сообщили, что воды, достаточной для заполнения океанов, возможно, всегда было на Земле с начала формирования планеты.
В отличие от горных пород, минералы, называемые цирконами, обладают высокой устойчивостью к атмосферным воздействиям и геологическим процессам и поэтому используются для понимания условий на самой ранней Земле. Минералогические данные из цирконов показали, что жидкая вода и атмосфера должны были существовать 4,404±0,008 миллиарда лет назад, очень скоро после образования Земли. Это представляет собой своего рода парадокс, поскольку гипотеза холодной ранней Земли предполагает, что температуры были достаточно холодными, чтобы заморозить воду примерно между 4,4 и 4,0 миллиардами лет назад. Другие исследования цирконов, найденных в австралийских хадейских породах, указывают на существование тектоники плит уже 4 миллиарда лет назад. Если это правда, то это означает, что вместо горячей, расплавленной поверхности и атмосферы, полной углекислого газа, ранняя поверхность Земли была такой, какой она является сегодня. Действие тектоники плит задерживает огромное количество CO2, тем самым уменьшая парниковый эффект, что приводит к гораздо более низкой температуре поверхности и образованию твердых пород и жидкой воды.
Запасы воды на Земле
Хотя большая часть поверхности Земли покрыта океанами, эти океаны составляют лишь небольшую часть массы планеты. Масса океанов Земли оценивается в 1,37 Ч 10 21 кг, что составляет 0,023% от общей массы Земли, 6,0 Ч 10 24 кг. По оценкам, еще 5,0 Ч 10-20 кг воды содержится во льду, озерах, реках, грунтовых водах и водяном паре в атмосфере. Значительное количество воды также хранится в земной коре, мантии и ядре. В отличие от молекулярного H2o, который находится на поверхности, вода внутри существует в основном в гидратированных минералах или в виде следовых количеств водорода, связанного с атомами кислорода в безводных минералах. Гидратированные силикаты на поверхности переносят воду в мантию на сходящихся границах плит, где океаническая кора погружается под континентальную кору. Хотя трудно оценить общее содержание воды в мантии из-за ограниченного количества образцов, там может храниться примерно в три раза больше массы земных океанов. Аналогичным образом, ядро Земли может содержать водорода на сумму от четырех до пяти океанов.
Гипотезы происхождения воды на Земле
Внепланетные источники
Вода имеет гораздо более низкую температуру конденсации, чем другие материалы, из которых состоят планеты земной группы в Солнечной системе, такие как железо и силикаты. Область протопланетного диска, ближайшая к Солнцу, была очень горячей в начале истории Солнечной системы, и невозможно, чтобы океаны воды конденсировались вместе с Землей при ее формировании. Дальше от молодого Солнца, где температура была ниже, вода могла конденсироваться и образовывать ледяные планетезимали. Граница области, где мог образоваться лед в ранней Солнечной системе, известна как линия замерзания (или линия снега) и расположена в современном поясе астероидов, примерно между 2,7 и 3,1 астрономическими единицами (AU) от Солнца.
Поэтому необходимо, чтобы объекты, формирующиеся за линией замерзания, такие как кометы, транснептуновые объекты и метеороиды (протопланеты), богатые водой, доставляли воду на Землю. Однако сроки этой доставки все еще под вопросом.
Одна из гипотез утверждает, что Земля нарастала (постепенно увеличивалась за счет накопления) ледяных планетезималей около 4,5 миллиардов лет назад, когда она составляла от 60 до 90% от своего нынешнего размера. В этом сценарии Земля смогла удерживать воду в той или иной форме во время аккреции и крупных столкновений. Эта гипотеза подтверждается сходством в количестве и соотношении изотопов воды между древнейшими известными углеродистыми хондритовыми метеоритами и метеоритами с Весты, оба из которых происходят из пояса астероидов Солнечной системы. Это также подтверждается исследованиями соотношений изотопов осмия, которые предполагают, что значительное количество воды содержалось в материале, который на ранней стадии образовался на Земле. Измерения химического состава лунных образцов, собранных миссиями "Аполлон-15" и "Аполлон-17", подтверждают это и указывают на то, что водавода уже присутствовала на Земле до образования Луны
Одна из проблем с этой гипотезой заключается в том, что соотношение изотопов благородных газов в атмосфере Земли отличается от соотношения изотопов в ее мантии, что предполагает, что они образовались из разных источников. Для объяснения этого наблюдения была предложена так называемая теория "поздней облицовки", согласно которой вода была доставлена гораздо позже в истории Земли, после удара, образующего Луну. Тем не менее, современное понимание формирования Земли допускает, что после образования Луны на Земле образовалось менее 1% материала, что подразумевает, что материал, образовавшийся позже, должен был быть очень богатым водой. Модели ранней динамики Солнечной системы показали, что ледяные астероиды могли быть доставлены во внутреннюю часть Солнечной системы (включая Землю) в этот период, если бы Юпитер переместился ближе к Солнцу.
Тем не менее, третья гипотеза, подтвержденная данными о соотношениях изотопов молибдена, предполагает, что Земля получила большую часть своей воды в результате того же межпланетного столкновения, которое вызвало образование Луны.
Данные 2019 года показывают, что изотопный состав молибдена в мантии Земли происходит из внешней Солнечной системы, вероятно, принесшей воду на Землю. Объяснение состоит в том, что Тейя, планета, которая, согласно гипотезе гигантского удара, столкнулась с Землей 4,5 миллиарда лет назад, образовав Луну, возможно, возникла во внешней Солнечной системе, а не во внутренней Солнечной системе, принеся с собой воду и материалы на основе углерода.
Заключение
На основе реферата можно сделать вывод, что эволюция гидросферы до сих пор остается не до конца изученной темой, хоть и было сделано огромное количество исследовано, все усложняется теми факторами, что в истории Земли было много непредсказуемых катаклизмов, и то, что у нас все еще нет максимально точных способов изучения явлений произошедших сотни миллионов лет назад. А живое вещество принимало огромную роль в становление гидросферы.
Список литературы
1. А.А. Протасова «Жизнь в гидросфере. Очерки по общей гидробиологии». Киев: Академпериодика, 2011. 704 с
2. Лаппо А.В. Следы былых биосфер, или Рассказ о том, как устроена биосфера и что осталось от биосфер геологического прошлого. -- 2-е издание.
3. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и её окружения. -- Наука, 2001.
4. Семерной В.П. Учение о гидросфере: учебное пособие; Яросл. гос. ун-т им. П.Г. Демидова. - Ярославль: ЯрГУ, 2010. - 256 с.
5. Е. Мархинин, Вулканическая гипотеза образования земной коры, гидросферы и атмосферы, Дальневосточное книжное издательство Петропавловск-Камчатский, 1967