Le reazioni chimiche sulla Terra primordiale potrebbero aver modellato il suo oceano – Ars Technica

L’acqua ha reso la Terra quello che è: un pianeta noto per i suoi oceani blu. L’acqua forma la Terra attraverso l’erosione ed è essenziale per la capacità della Terra di sostenere la vita. Ma abbiamo difficoltà a capire come la Terra sia finita con tutta quell’acqua, dal momento che gli elementi costitutivi che l’hanno creata probabilmente si sono prosciugati e le collisioni che hanno trasformato questi elementi costitutivi in ​​un pianeta avrebbero dovuto spingere l’acqua superficiale nello spazio. .

Sono stati proposti vari mezzi per fornire acqua alla Terra dopo la sua formazione. Ma un nuovo studio prende le informazioni raccolte dall’esame degli esopianeti e le applica alla Terra. I risultati indicano che le reazioni chimiche che avrebbero avuto luogo durante la formazione della Terra avrebbero prodotto abbastanza acqua da riempire gli oceani del mondo. E come vantaggio collaterale, il modello spiega la strana densità del nucleo terrestre.

impermeabile

La Terra sembra essere stata creata principalmente da materiali nel sistema solare interno. Non solo quel materiale era nel posto giusto, ma il materiale negli asteroidi nella regione forniva una buona corrispondenza in termini di composizione elementare e isotopica. Ma questo materiale è anche molto secco. Questa non è una sorpresa. Le temperature in questa regione avrebbero impedito all’acqua di condensarsi in un solido, come può esistere nel sistema solare, oltre un punto noto come “linea di ghiaccio” dell’acqua.

Tutta l’acqua nello spazio sarebbe andata persa, poiché si ritiene che il processo di costruzione del pianeta sia avvenuto per collisioni tra piccoli corpi, con corpi più grandi che diventavano gradualmente più grandi man mano che corpi più piccoli continuavano a scontrarsi con loro. Gran parte dell’acqua in questi oggetti evaporerebbe e forse andrebbe persa nello spazio.

Ma tre ricercatori (Edward Young, Anat Shahar e Hilke Schlichting) si sono concentrati su un ulteriore fattore che potrebbe essere stato presente durante la formazione del sistema solare: l’idrogeno. Si pensa che l’idrogeno sia presente in grandi quantità durante il primo periodo di formazione dei pianeti, ma viene poi espulso dalla radiazione rilasciata una volta che la stella centrale si accende. Nel nostro sistema solare, parte di essa è stata catturata dai pianeti esterni prima di essere persa. Ma i nostri pianeti interni sembrano essersi formati con poco o nessun elemento all’inizio della loro storia.

Ma uno sguardo agli esopianeti suggerisce che questo non è un destino inevitabile. Abbiamo trovato diversi pianeti super rocciosi che sembrano anche privi di atmosfere ricche di idrogeno. Ma c’è un divario circa il doppio del raggio terrestre in cui vediamo molto giovane Nettuno, che sembra aver conservato un’atmosfera densa, probabilmente ricca di idrogeno. Ciò ha portato a suggerire che tutti i pianeti rocciosi inizino in un ambiente ricco di idrogeno e da quello formino le loro prime atmosfere. Ma al di sotto di una certa dimensione, questo idrogeno si perde più avanti nella loro storia. Eventuali atmosfere presenti su questi pianeti sono probabilmente il risultato di una formazione secondaria.

Portandolo alla sua logica conclusione, anche la Terra potrebbe essere iniziata con un’atmosfera ricca di idrogeno. Pertanto, i ricercatori coinvolti nel nuovo studio hanno deciso di esaminare quali potrebbero essere le conseguenze di questo scenario.

Chimica planetaria

Per esplorare questa idea, i ricercatori hanno essenzialmente modellato un gigantesco reattore chimico riempito con la maggior parte dei componenti della Terra primordiale e ampliato fino alle dimensioni di un grande precursore della Terra (la metà delle dimensioni della Terra attuale). Ciò include cose come ossidi di ferro, sodio, vari silicati, anidride carbonica, metano, ossigeno e altro. Tutto questo è stato posto sotto un’atmosfera ricca di idrogeno e riscaldato per riflettere gli oceani di magma dalle ripetute collisioni che si sono verificate durante la formazione del pianeta.

Questo periodo è probabilmente durato decine di milioni di anni, in parte perché le atmosfere di idrogeno tendono a trattenere molto bene il calore (possono agire come un gas serra). Ciò dà alle reazioni chimiche in atto – 18 delle quali i ricercatori hanno monitorato – il tempo necessario per raggiungere l’equilibrio e il tempo sufficiente affinché i diversi materiali all’interno del pianeta si disgreghino in base alla densità.

Una delle cose che accade è che molti elementi sono incorporati nel nucleo di ferro, tra cui ossigeno, silicio e idrogeno. Poiché tutti questi sono meno densi del ferro, ciò ha l’effetto di rendere il nucleo meno denso di quanto sarebbe se fosse ferro puro, il che è vero per la Terra reale.

In alcune reazioni, la fusione dell’idrogeno comporta lo spostamento dell’ossigeno e il sottoprodotto di queste reazioni è l’acqua. Nelle condizioni esplorate qui, le reazioni producono lo stesso volume che si trova negli attuali oceani della Terra. “Anche se le rocce nel sistema solare interno sono completamente asciutte”, hanno scritto i ricercatori, le reazioni tra H.₂ L’atmosfera e gli oceani magmatici genereranno abbondanti quantità di H₂O. Altre fonti di H₂O è possibile, ma non obbligatorio.

limiti di modellazione

Tra i lati positivi, la simulazione funziona con un’ampia gamma di temperature: tutto ciò che serve è abbastanza calore per mantenere il pianeta in fusione mentre i processi qui descritti raggiungono l’equilibrio. Funziona anche per precursori di diverse dimensioni, ma fallisce se il precursore è troppo piccolo. Ciò corrisponde all’estrema aridità di Marte e Mercurio. La variabile primaria termina con la quantità di acqua prodotta; Se più idrogeno finisse nel nucleo, potrebbe facilmente creare un mondo acquatico tre volte più grande degli oceani di oggi.

Sebbene il modello sia robusto rispetto a molti cambiamenti nelle condizioni iniziali, è limitato dal fatto di non essere un quadro completo della chimica della Terra primordiale. Vale la pena notare che lo zolfo e l’azoto hanno svolto un ruolo importante nella chimica della Terra.

Ma la grande lacuna nel modello è ciò che accade dopo che l’acqua si è formata. Poiché c’è un oceano di magma, finirà nell’atmosfera, dove può essere separato dalla radiazione solare e perso se l’idrogeno nel sistema solare si dissipa davvero. Lo stesso vale per qualsiasi effetto collaterale che ha riscaldato il pianeta, come il gigantesco impatto che ha modellato la luna. Se c’è ancora abbastanza idrogeno, questo non è un problema perché l’acqua può risolverlo. I ricercatori citano ricerche che dimostrano che un’atmosfera ricca d’acqua potrebbe sopravvivere anche a un impatto massiccio. Infine, puoi immaginare le condizioni in cui è stato prodotto un eccesso iniziale di acqua, ma ne è stata persa una quantità sufficiente attraverso questi processi per lasciare la Terra nel suo stato attuale.

Quindi, mentre la produzione di acqua non richiede la messa a punto delle condizioni, conservarla può farlo.

Ma le implicazioni per i mondi al di fuori del nostro sembrano un po’ più grandi. Questi risultati indicano che un’ampia gamma di condizioni iniziali deve aver prodotto acqua durante la formazione dei pianeti rocciosi. Pertanto, quando pensiamo ai pianeti negli esosistemi, potrebbe essere più discutibile chiedere se hanno sperimentato condizioni che avrebbero causato loro la perdita di acqua piuttosto che chiedere se avrebbero potuto averne in primo luogo.

Natura, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-05823-0 (sui DOI).