Розширене бомбардування астероїдів зробило Землю занадто гарячою для формування континентів

Розширене бомбардування астероїдів зробило Землю занадто гарячою для формування континентів

Формування континентів було важливим етапом в історії Землі. Континенти та тектоніка плит пов'язані з придатністю планети для життя, і те ж саме стосується придатності інших кам'янистих екзопланет. Розуміння того, коли і як формувалися континенти, а також які фактори та процеси це регулювали, є однією з основних цілей планетарної науки.

Тектоніка плит — це спосіб, яким Земля регулює свій клімат, видаляючи вуглець з атмосфери. Тектоніка також підтримує цикли живильних речовин, запобігаючи блокуванню критично важливих елементів, таких як фосфор, у породах, недоступних для живих організмів. Хоча вчені не можуть бути впевненими, вони вважають, що тектоніка плит, ймовірно, є критично важливою для життя, і тектоніка плит може почати діяти лише після формування стабільної континентальної кори.

Після свого формування Земля була океаном магми без твердих поверхонь, утримуваним у рідкому стані радіогенним нагріванням. Цей період називається гадеанською ерою. Зрештою планета охолола, і утворилася стабільна, товста континентальна кора. Нові дослідження показують, що товсті корисні матеріали не могли утворитися під час гадеанської ери, оскільки безперервне бомбардування астероїдів зробило кору занадто гарячою. Водночас тепло генерувало більше матеріалу, який пізніше утворив кремнеземисту кору.

Дослідження опубліковане в журналі Science і має назву "Нагрівання від ударів і прихований гадеан". Головний автор — Тім Джонсон, професор Школи Землі та планетарних наук Університету Кертіна та Інституту геонаук Кертіна.

"Природа кори Землі під час гадеанської ери ≥4.03 мільярда років тому (Ga) є невизначеною," пишуть автори. "Моделі ранньої Землі враховують тепло, що виходить зсередини планети, незважаючи на докази інтенсивного бомбардування ударами та теплом, яке вони приносили." У цій роботі дослідники змоделювали тепловий потік від ударів і показали, що він перевищував тепло, що походить з планетарного інтер'єру. "Гадеанська кора Землі була б в значній мірі розплавленою на глибинах нижче кількох кілометрів, що викликало гравітаційну сегрегацію щільного, багатого залізом і магнієм матеріалу та призвело до збільшення середнього складу кори, що ставала все більш кремнеземистою," пишуть вони.

Диференціація — це коли магма кам'янистої планети розділяється на шари з різною густиною, а гравітаційна сегрегація є частиною цього процесу. На Землі залізо та нікель занурилися в ядро, де генерують магнітний щит Землі. Легші елементи піднялися, і вони домінують у земній корі. У межах кори цей процес також створює те, що називається фельзиковою породою, яка багата на легкі елементи, такі як кремній, кисень і алюміній, та мафічною породою, щільнішою породою, що містить більше важких елементів магнію та заліза. Фельзикова порода є легшою континентальною корою, тоді як мафічна порода є важчою океанічною корою.

Гадеанська ера почалася, коли Земля сформувалася приблизно 4.6 мільярда років тому, і закінчилася приблизно через 500 мільйонів років. Гадеанська ера закінчилася, коли почався гіпотетичний пізній важкий бомбардування. (Варто зазначити, що хоча ЛВБ є популярною концепцією, це все ще лише гіпотеза, з багатьма в науковій спільноті, які її оспорюють.)

Ця робота також показує, що це нагрівання, спричинене ударами, зменшилося приблизно 3.9 мільярда років тому, і саме тоді кора Землі загустіла. Це збігається з закінченням ЛВБ. Найстаріші фрагменти континентальної кори, гнейс Акаста на півночі Канади, датуються цим часом, що додає солідну підтримку цим результатам. "Те, що стійка континентальна кора з'явилася приблизно в цей час, ймовірно, не є випадковістю," пишуть автори.

Коли ми дивимося на Землю сьогодні, ми можемо бачити окремі кратери, що датуються десятками тисяч, навіть мільйонами років. Це результат окремих ударів, які були розділені довгими інтервалами часу. Але під час ЛВБ астероїди падали на Землю в тривалому епізоді. Це, ймовірно, було викликано міграцією гігантських планет Сонячної системи, які порушили гравітаційний порядок, що утримував астероїди в лінії.

"Є спокуса думати про великі удари як про короткочасні події, які залишають шрами на поверхні планети, а потім проходять," сказав професор Джонсон у прес-релізі. "Але рання Сонячна система була сповнена зіткнень, і Місяць зберігає цю історію на виду. Ці удари несли величезні обсяги енергії, і ця енергія мала кудись йти."

"Додаткове тепло від ударів утримувало більшу частину ранньої кори слабкою та частково розплавленою, ускладнюючи виживання порід," сказав Джонсон. "Водночас ці умови допомогли виробити більше кремнеземистої кори, яка пізніше стала основою континентів."

Повторні удари несли кінетичну енергію, яка перетворювалася на тепло, генеруючи магму, що не дозволяла ранній корі Землі затвердіти та стати стабільною.

Ці панелі є моментальними знімками з моделей у дослідженні. Вони показують мантію Землі під час гадеанської ери приблизно 4.1 мільярда років тому. (A) показує лише радіогенне нагрівання, тепло від розпаду елементів всередині Землі. (B) додає нагрівання від ударів для мантії та кори. (C) показує динамічне нагрівання від ударів через 0.175 мільйона років після великого удару. (D) показує те ж саме, що (C), але через 35 мільйонів років після удару. Джерело зображення: Джонсон та ін. 2026. Science

"На ранній Землі більша частина цієї енергії, ймовірно, була передана в мантію Землі, товстий шар безпосередньо під корою, як тепло," сказав співавтор професор Крейг О'Ніл з Університету технологій Квінсленда. "Це викликало підйом і плавлення мантії під і навколо місця удару, виробляючи великі обсяги магми.

"Наші результати свідчать про те, що рання кора була тонкою та нестабільною протягом більшої частини гадеанської ери, а не світом з міцними плитами, що ведуть себе у звичний сучасний спосіб," додав О'Ніл. "Натомість удари допомагали підтримувати кору гарячою, слабкою та рухомою, сприяючи плавленню та переробці на планетарному рівні протягом десятків до сотень мільйонів років після початкового зіткнення."

"Наші результати, які базуються на консервативній оцінці відповідних змінних, показують, що тепло, пов'язане з ударами на ранній Землі, значно перевищувало внутрішній тепловий бюджет протягом усієї гадеанської ери, так що кора була б частково розплавленою на глибинах нижче кількох кілометрів," пояснюють дослідники у своїй статті. Тектоніка плит не може відбуватися, поки кора не загусне і не стане стабільною. Кора повинна бути здатною до субдукції як "напівкоherent плита," пишуть автори, і це не могло статися з усім цим нагріванням від ударів.

"Наші висновки показують, що така поведінка є неприпустимою в гадеанській та найранішій архейській ерах," пишуть вони. "Особливо наші результати надають чітке пояснення майже повній відсутності запису порід гадеанської ери."

Після приблизно 3.9 мільярда років тому швидкість ударів зменшилася. Кора тоді змогла охолонути та затвердіти на глибині близько 30 км.

"Те, що фельзикові породи, які домінують у давніх ядрах континентів, почали з'являтися в той же час, здається, малоймовірно, що є випадковістю," вони підсумовують.