Las reacciones químicas en la Tierra primitiva pueden haber formado sus océanos – Ars Technica

El agua ha creado el planeta Tierra, el planeta conocido por sus océanos azules. El agua da forma a la tierra a través de la erosión y es fundamental para la capacidad de la Tierra para albergar vida. Pero es difícil para nosotros entender cómo la Tierra terminó con esta agua, porque los bloques de construcción que la componían podrían haberse secado, y las colisiones que convirtieron estos bloques de construcción en un planeta deben haber llevado el agua superficial al espacio. .

Se han propuesto varias formas de proporcionar agua después de la formación de la Tierra. Pero un nuevo estudio toma la información que hemos obtenido al estudiar exoplanetas y la aplica a la Tierra. Los resultados sugieren que las reacciones químicas durante la formación de la Tierra habrían producido suficiente agua para llenar los océanos del mundo. Además, como beneficio adicional, el modelo explica la densidad ligeramente diferente del núcleo de la Tierra.

impermeable

La Tierra parece haber sido construida principalmente a partir de material del sistema solar interior. No solo esos materiales estaban en su lugar, sino que el material actual encontrado en los asteroides de la región proporcionó buenas coincidencias en función de su composición elemental e isotópica. Pero estos ingredientes son muy secos. Eso no es una sorpresa; La temperatura en esta región estaría más allá de un punto conocido como la «línea de hielo» del agua más adentro del sistema solar, evitando que el agua se escape en forma sólida.

Cualquier agua presente puede haberse perdido en el espacio, ya que se cree que el proceso de formación de planetas ocurrió a través de colisiones entre cuerpos más pequeños, con cuerpos más grandes creciendo gradualmente y otros más pequeños chocando contra ellos. La mayor parte del agua en estos cuerpos se evapora y se pierde en el espacio.

Pero tres investigadores (Edward Young, Anat Shahar y Hilke Schlichting) se centraron en un factor adicional que pudo haber estado presente durante la formación del sistema solar: el hidrógeno. Se cree que el hidrógeno es abundante al principio de la formación de planetas, pero se agota por la radiación emitida cuando la estrella central se quema. En nuestro sistema solar, algunos fueron capturados por exoplanetas antes de perderse. Pero nuestros planetas interiores parecen haberse formado con un pequeño elemento o haberlo perdido al principio de su historia.

Pero una mirada a los exoplanetas sugiere que este no es un destino inevitable. Hemos descubierto muchas supertierras rocosas que no tienen atmósferas ricas en hidrógeno. Pero hay una brecha del doble del radio de la Tierra donde encontramos muchos mini-Neptunos que parecen haber retenido atmósferas densas y ricas en hidrógeno. Esto condujo a la propuesta de que todos los planetas rocosos comenzaron con un entorno rico en hidrógeno y desarrollaron sus primeras atmósferas a partir de él. Sin embargo, por debajo de cierto nivel, ese hidrógeno se pierde más adelante en su historia. Cualquier atmósfera que se encuentre en estos planetas podría deberse a una formación secundaria.

A su conclusión lógica, la Tierra puede haber comenzado con una atmósfera rica en hidrógeno. Entonces, los investigadores involucrados en el nuevo estudio decidieron investigar cuáles serían las consecuencias de esa situación.

Química a escala planetaria

Para explorar esa idea, los investigadores esencialmente llenaron un reactor químico gigante con la mayor parte del material de la Tierra primitiva y lo escalaron hasta el tamaño de un gran progenitor de la Tierra (aproximadamente la mitad del tamaño de la Tierra actual). Estos incluyen óxidos de hierro y sodio, varios silicatos, dióxido de carbono, metano, oxígeno y muchas otras sustancias. Todos estos se colocaron bajo una atmósfera rica en hidrógeno y se calentaron para imitar los océanos de magma creados por las frecuentes colisiones a medida que se formaban los planetas.

Es probable que este período dure muchos millones de años porque las atmósferas de hidrógeno retienen bien el calor (actúa como un gas de efecto invernadero). Esto le da a las reacciones químicas que ocurren, y los investigadores están monitoreando 18 de ellas, tiempo para alcanzar un equilibrio y permitir suficiente tiempo para que los diferentes materiales en el interior del planeta se separen por densidad.

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

En algunas reacciones, la adición de hidrógeno implica el desplazamiento de oxígeno y el subproducto de estas reacciones es el agua. Bajo las condiciones investigadas aquí, las reacciones produjeron cantidades similares a las presentes en los océanos de la Tierra. «Incluso si las rocas en el sistema solar interior estuvieran completamente secas», escriben los investigadores, «las reacciones entre H₂ Las atmósferas y los océanos de magma producen grandes cantidades de H₂Otras fuentes de O.H₂Oh posible, pero no necesario».

Limitaciones de modelado

Además, las simulaciones funcionan con una amplia gama de temperaturas: los procesos descritos aquí requieren suficiente calor para derretir el planeta cuando alcance el equilibrio. Esto funciona para varios tamaños de precursores, pero falla si el precursor es demasiado pequeño. Esto coincide con la sequía extrema de Marte y Mercurio. La variable principal termina siendo la cantidad de agua que se produce; Terminando en un núcleo con alto contenido de hidrógeno, sería fácil crear un mundo de agua tres veces el tamaño de los océanos actuales.

Aunque el modelo es robusto a muchos cambios en las primeras condiciones, está limitado por no ser una imagen completa de la química de la Tierra primitiva. El azufre y el nitrógeno, que desempeñaron un papel importante en la química de la Tierra, están notablemente ausentes.

Pero lo que sucede después de que se forma el agua es una gran brecha en el modelo. Debido a que existe un océano de magma, puede terminar en la atmósfera, donde puede agrietarse por la radiación solar y perder el hidrógeno del sistema solar si ya se ha disipado. Lo mismo se aplica a cualquier impacto posterior que caliente el planeta, como el impacto gigante que creó la Luna. Si todavía hay suficiente hidrógeno, esto no es un problema porque el agua se puede reformar. Los investigadores citan investigaciones que sugieren que una atmósfera rica en agua podría sobrevivir incluso a una colisión importante. Finalmente, puede imaginar condiciones en las que la producción inicial de agua era alta, pero se perdió suficiente a través de estos procesos para dejar la Tierra en su estado actual.

Por lo tanto, aunque la producción de agua no requiere un ajuste fino de las condiciones, se puede mantener.

Pero las implicaciones para mundos más allá del nuestro parecen un poco más grandes. Estos resultados sugieren que grandes etapas iniciales deben haber producido agua durante la formación de los planetas rocosos. Entonces, cuando consideramos planetas en sistemas exosolares, puede ser una cuestión de si experimentaron condiciones que les habrían hecho perder agua en lugar de si tenían alguna en primer lugar.

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