Las reacciones químicas en la Tierra primitiva pueden haber dado forma a su océano – Ars Technica

El agua hizo de la Tierra lo que es: un planeta conocido por sus océanos azules. El agua forma la Tierra a través de la erosión y es esencial para la capacidad de la Tierra para sustentar la vida. Pero nos cuesta entender cómo la Tierra terminó con toda esa agua, ya que los componentes básicos que la crearon probablemente se secaron, y las colisiones que convirtieron estos componentes básicos en un planeta deberían haber empujado el agua superficial hacia el espacio. .

Se han propuesto varios medios para llevar agua a la Tierra después de su formación. Pero un nuevo estudio toma información obtenida del examen de exoplanetas y la aplica a la Tierra. Los resultados indican que las reacciones químicas que habrían tenido lugar durante la formación de la Tierra habrían producido suficiente agua para llenar los océanos del mundo. Y como beneficio adicional, el modelo explica la densidad un tanto extraña del núcleo de la Tierra.

impermeable

La Tierra parece haber sido creada principalmente a partir de materiales del sistema solar interior. No solo estaba ese material en el lugar correcto, sino que el material de los asteroides en la región proporcionó una buena combinación en términos de sus composiciones elementales e isotópicas. Pero este material también es muy seco. Esto no es ninguna sorpresa. Las temperaturas en esta región habrían impedido que el agua se condensara en un sólido, como puede existir en el sistema solar, más allá de un punto conocido como la «línea de hielo» del agua.

Cualquier agua en el espacio se habría perdido, ya que se cree que el proceso de construcción del planeta ocurrió por colisiones entre cuerpos pequeños, con cuerpos más grandes gradualmente creciendo a medida que los cuerpos más pequeños continuaron chocando con ellos. Gran parte del agua de estos objetos se evaporaría y posiblemente se perdería en el espacio.

Pero tres investigadores (Edward Young, Anat Shahar y Hilke Schlichting) se centraron en un factor adicional que podría haber estado presente durante la formación del sistema solar: el hidrógeno. Se cree que el hidrógeno está presente en grandes cantidades durante el período inicial de formación de planetas, pero luego es expulsado por la radiación liberada una vez que la estrella central se enciende. En nuestro sistema solar, parte de ella fue capturada por los planetas exteriores antes de que se perdiera. Pero nuestros planetas interiores parecen haberse formado con poco o ningún elemento al principio de su historia.

Pero una mirada a los exoplanetas sugiere que este no es un destino inevitable. Hemos encontrado varios planetas súper rocosos que también parecen carecer de atmósferas ricas en hidrógeno. Pero hay una brecha de aproximadamente el doble del radio de la Tierra donde vemos una gran cantidad de Neptuno joven, que parece haber retenido una atmósfera espesa, probablemente rica en hidrógeno. Esto ha llevado a la sugerencia de que todos los planetas rocosos comienzan en un entorno rico en hidrógeno y forman sus primeras atmósferas a partir de ahí. Pero por debajo de cierto tamaño, este hidrógeno se pierde más adelante en su historia. Cualquier atmósfera presente en estos planetas es probablemente el resultado de una formación secundaria.

Llevando eso a su conclusión lógica, la Tierra también puede haber comenzado con una atmósfera rica en hidrógeno. Por lo tanto, los investigadores involucrados en el nuevo estudio decidieron analizar cuáles podrían ser las consecuencias de este escenario.

química planetaria

Para explorar esta idea, los investigadores modelaron esencialmente un reactor químico gigante lleno con la mayoría de los componentes de la Tierra primitiva y se expandió al tamaño de un gran precursor de la Tierra (la mitad del tamaño de la Tierra actual). Esto incluye cosas como óxidos de hierro, sodio, varios silicatos, dióxido de carbono, metano, oxígeno y más. Todo esto se colocó bajo una atmósfera rica en hidrógeno y se calentó para reflejar los océanos de magma de las repetidas colisiones que ocurrieron durante la formación del planeta.

Este período probablemente duró decenas de millones de años, en parte porque las atmósferas de hidrógeno tienden a retener muy bien el calor (pueden actuar como un gas de efecto invernadero). Esto le da a las reacciones químicas que tienen lugar, 18 de las cuales los investigadores rastrearon, tiempo para alcanzar el equilibrio y tiempo suficiente para que los diferentes materiales en el interior del planeta se separen según la densidad.

Una de las cosas que sucede es que muchos elementos se incorporan al núcleo de hierro, incluidos oxígeno, silicio e hidrógeno. Dado que todos estos son menos densos que el hierro, esto tiene el efecto de hacer que el núcleo sea menos denso de lo que sería si fuera hierro puro, lo cual es cierto en la Tierra real.

En algunas reacciones, la fusión del hidrógeno implica el desplazamiento del oxígeno y el subproducto de estas reacciones es el agua. Bajo las condiciones exploradas aquí, las reacciones producen el mismo volumen que se encuentra en los océanos actuales de la Tierra. «Incluso si las rocas en el sistema solar interior están completamente secas», escribieron los investigadores, las reacciones entre H.₂ La atmósfera y los océanos de magma generarán abundantes cantidades de H₂O. Otras fuentes de H₂O es posible, pero no obligatorio.

límites de modelado

En el lado positivo, la simulación funciona con una amplia gama de temperaturas: todo lo que se necesita es suficiente calor para mantener el planeta derritiéndose mientras los procesos descritos aquí alcanzan el equilibrio. También funciona para diferentes tamaños de precursores, pero falla si el precursor es demasiado pequeño. Esto corresponde a la sequedad extrema de Marte y Mercurio. La variable principal termina con la cantidad de agua que se produce; Si más hidrógeno terminara en el núcleo, fácilmente podría crear un mundo de agua tres veces el tamaño de los océanos actuales.

Si bien el modelo es robusto a muchos cambios en las condiciones iniciales, está limitado por no ser una imagen completa de la química de la Tierra primitiva. Vale la pena señalar que el azufre y el nitrógeno han jugado un papel importante en la química de la Tierra.

Pero la gran brecha en el modelo es lo que sucede después de que se forma el agua. Debido a que hay un océano de magma, terminará en la atmósfera, donde puede dividirse por la radiación solar y perderse si el hidrógeno en el sistema solar realmente se disipa. Lo mismo ocurre con los efectos secundarios que calentaron el planeta, como el impacto gigante que dio forma a la luna. Si todavía hay suficiente hidrógeno, esto no es un problema porque el agua puede arreglarlo. Los investigadores citan investigaciones que muestran que una atmósfera rica en agua podría sobrevivir incluso a un impacto masivo. Finalmente, puedes imaginar las condiciones en las que se produjo un exceso inicial de agua, pero se perdió suficiente a través de estos procesos para dejar la Tierra en su estado actual.

Por lo tanto, si bien la producción de agua no requiere un ajuste fino de las condiciones, su retención sí puede hacerlo.

Pero las implicaciones para mundos fuera del nuestro parecen un poco más grandes. Estos resultados indican que una amplia gama de condiciones iniciales deben haber producido agua durante la formación de los planetas rocosos. Por lo tanto, cuando pensamos en planetas en exosistemas, podría ser más cuestionable preguntar si experimentaron condiciones que les habrían hecho perder agua que preguntar si podrían haber tenido alguna en primer lugar.

Naturaleza, 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-05823-0 (sobre los DOI).