Откуда взялись земные запасы гелия-3, редкой формы элемента, вызывает много споров. Новая модель представляет собой второй взгляд на старую и противоречивую теорию.
Вначале всё было пылью и газом. Во всяком случае, на какое-то время — до тех пор, пока огромное газовое облако, называемое солнечной туманностью, постепенно не сгустилось в месте, которое впоследствии стало нашей Солнечной системой. Затем пришло Солнце. В конце концов, более близкие и более горячие протопланеты собрали плавающие вокруг тяжелые металлы и стали планетами земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс), а более далёкие протопланеты, в свою очередь, стали газовыми гигантами (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун).
Как Земля оказалась с летучими химическими веществами, состоящими из таких элементов, как водород, которые могут легко превращаться в лёгкие газы и пары, остается загадкой. В частности, постоянные поставки на Землю редкой формы гелия, называемой гелием-3, представляют собой проблему.
Большая его часть была создана вскоре после Большого взрыва, и её запасы на Земле не пополняются. Тем не менее, срединно-океанические хребты ежегодно выбрасывают в атмосферу около 2 кг этого вещества.
Преобладают две теории. Либо летучие вещества на Землю были доставлены астероидами, либо кометами. Но есть более старая и более противоречивая теория: сама солнечная туманность могла доставить первичный гелий-3 в ядро планеты, говорит геохимик по стабильным изотопам Закари Шарп, директор Центра стабильных изотопов в Университете Нью-Мексико.
Небулярное происхождение
Если бы Земля приобрела более трети своей конечной массы, пока солнечная туманность была ещё неповрежденной, она сформировала бы атмосферу, плотную из водорода и гелия. Однако под высоким давлением эти газы могли раствориться в расплавленной лаве, покрывающей поверхность планеты, — подобно тому, как углекислый газ растворяется в газировке, когда его под давлением помещают в бутылку, — говорит Шарп.
Оттуда гелий-3 мог рассеяться по земле и даже проникнуть в ядро планеты. Поскольку летучий гелий-3 так легко теряется в космосе, его постоянное присутствие может быть важным ключом к разгадке истории Земли. Если бы его доставили астероиды или кометы, как предполагалось ранее, «гелий просто потерялся бы в космосе. Он никогда не добрался бы до ядра», — объясняет Шарп. «Если у нас есть утечка гелия из ядра, это своего рода дымящийся пистолет, солнечная небулярная атмосфера высокого давления».
Надвигающийся вопрос заключается в том, могло ли железо, которое сформировало ядро Земли, принести с собой какие-либо более лёгкие материалы. Хотя в отношении гелия-3 остаётся неясным, недавние исследования показали, что это возможно для других летучих веществ. А в статье, опубликованной в прошлом месяце, Шарп и его коллега, геофизик Питер Олсон, создали модель, демонстрирующую, как гелий-3 мог постепенно выщелачиваться из ядра в мантию, создавая стабильный резервуар для извлечения из мантии.
Что делает ядро многообещающим резервом гелия-3, так это его относительная стабильность, говорит Шарп. Неудивительно, что за более чем 4 миллиарда лет Земля пережила несколько серьёзных травм и в геологическом масштабе находится в постоянном движении. Но ядро не участвует в циклическом движении тектонических плит и остаётся жидким с момента образования планеты.
В модели Шарпа и Олсона предполагается, что Земля рано потеряла большую часть своего гелия; возможно, большая прото-Луна столкнулась с нашей планетой, выбросив элемент в космос. Если бы в ядре остались значительно более высокие запасы гелия, чем в мантии, элемент мог бы постепенно просачиваться из первого во вторую.
Конечно, это не единственная теория. Исследователи также указали на большие области с низкой скоростью сдвига, или суперплюмы, которые находятся в глубокой мантии Земли, как на возможные запасы гелия-3.
Мантийные плюмы
Суперплюмы, которые могут простираться в стороны более чем на тысячу километров, обладают некоторыми общими характеристиками, которые делают ядро многообещающим кандидатом. Например, структуры были стабильными в течение сотен миллионов лет. Кроме того, траектории мантийных плюмов, которые содержат высокие уровни гелия-3, имеют тенденцию сходиться вокруг этих суперплюмов, но моделирование предполагает, что это может быть совпадением.
Мантийные плюмы, вероятно, вытягивают мало материала из более крупных суперплюмов; вместо этого они черпают из самой горячей части базального теплового пограничного слоя — именно там, где, как предполагают Шарп и Олсон, обнаруживается утечка гелия-3 из ядра.
Два исследователя в своей статье также отмечают наблюдаемую корреляцию между высокими температурами мантийных плюмов и большим количеством гелия-3. Иными словами, чем ближе эти шлейфы к ядру, тем более вероятно, что они содержат высокий уровень первичного гелия. Если в ранней мантии не хватало гелия, заключают Шарп и Олсон, «наши результаты показывают, что большая часть гелия-3, находящегося сейчас в мантии, когда-то находилась в ядре».
В рамках их модели Суджой Мукхопадхьяй, профессор геохимии Калифорнийского университета в Дэвисе, соглашается с тем, что из ядра может происходить утечка гелия-3 в мантию. «Но предостережения и предположения могут означать, что их модель неприменима к реальной Земле», — говорит он, добавляя, что документ был «искренним, честным и освежающим с точки зрения того, чтобы не пытаться чрезмерно интерпретировать результаты модели».
Шарп и Олсон предполагают, что, если их модель верна, они ожидают обнаружить также утечку из ядра более тяжёлых благородных газов, таких как ксенон-129. Но они отмечают, что модель основана на трёх допущениях: протоземля должна была достичь критического порога размера, пока солнечная туманность была ещё нетронутой, гелий должен был успешно разделиться на металлы, формирующие ядро, и ранняя мантия должна была сильно дегазироваться. «Каждая из этих деталей по отдельности достаточно вероятна, но сочетание всех трёх менее вероятно», — предполагают они.