Ziemia powstała 4,5 mld lat temu w wyniku serii zderzeń meteorytów. W latach 70. XX wieku zaproponowano hipotezę, zgodnie z którą pod koniec formowania się Ziemi na jej powierzchnię trafiła dodatkowa porcja materii, a hipotezę tę nazwano „późnym dopływem”. Nowe badanie podważa tę teorię

W płaszczu Ziemi występują określone ilości niektórych pierwiastków – tak zwanych pierwiastków silnie syderofilnych, czyli mających duże powinowactwo do żelaza, takich jak złoto i platyna. Wydawało się, że ich obecność można wyjaśnić jedynie późnym dopływem meteorytów, który nastąpił już po ochłodzeniu planety.

Hipotezę tę wykorzystano także do wyjaśnienia obecności w płaszczu Ziemi pierwiastków niezbędnych do rozwoju życia, takich jak węgiel i wodór. Pozwalała więc jednocześnie odpowiadać na dwa ważne pytania z dziedziny geochemii.

Nasze badanie, opublikowane w czasopiśmie Science Advances przedstawia inny scenariusz. Wynika z niego, że ekstremalne warunki panujące podczas formowania się Ziemi mogą wyjaśniać obecność pierwiastków silnie syderofilnych w jej płaszczu, bez konieczności zakładania masowego późnego dopływu materii.

Jeśli późna dostawa materii w ogóle nie nastąpiła albo była znacznie mniejsza, niż wcześniej sądzono, trudno byłoby wyjaśnić w ten sposób obecność na Ziemi składników niezbędnych do rozwoju życia. Nasze badanie prowadzi więc do wniosku, że mogły one znajdować się na Ziemi już na początku formowania się planety.

Jak różni się skład chemiczny Ziemi i meteorytów?

Surowce z kosmosu. Między nauką, technologią a geopolityką

W ramach pracy odtworzyliśmy w laboratorium ekstremalne warunki ciśnienia i temperatury panujące podczas różnicowania się Ziemi. Ciśnienie sięgało kilkuset tysięcy razy wartości ciśnienia atmosferycznego, a temperatura – kilku tysięcy stopni Celsjusza.

Podczas formowania się Ziemię pokrywał ocean magmy o głębokości przekraczającej 1500 km. W jego obrębie pierwiastki chemiczne rozdzielały się w zależności od powinowactwa do metalu lub magmy. W ten sposób powstały dwa główne ziemskie rezerwuary: metaliczne jądro i krzemianowy płaszcz.

Różnicowanie się jądra i płaszcza trwało kilkadziesiąt milionów lat i miało fundamentalne znaczenie dla historii Ziemi. Po zakończeniu tego procesu wymiana chemiczna między tymi warstwami stała się niemożliwa.

Aby odtworzyć warunki panujące podczas formowania się Ziemi, wykorzystaliśmy komory z kowadłami diamentowymi połączone z ogrzewaniem laserowym. Analiza otrzymanych próbek wykazała, że temperatura odgrywa kluczową rolę w podziale badanych pierwiastków silnie syderofilnych – złota, renu, palladu, irydu i osmu – między jądro a płaszcz.

W warunkach, w których formowało się jądro Ziemi, pierwiastki te wykazują znacznie słabsze powinowactwo do żelaza, a ich powinowactwo do krzemianów rośnie. Wykorzystując numeryczne modele powstawania Ziemi, pokazaliśmy, że ilości tych pierwiastków w płaszczu można wyjaśnić działaniem wysokich temperatur panujących podczas różnicowania się planety.

Wynik ten pozwala inaczej spojrzeć na akrecję Ziemi, Księżyca i pozostałych planet skalistych Układu Słonecznego – bez odwoływania się do znacznego późnego dopływu materii.

Skąd wzięła się materia, z której powstały Słońce i planety?

Powstawanie gwiazd

To ważny postęp, ponieważ hipoteza późnego dopływu przez kilka dekad była uznawana za sposób dostarczenia na Ziemię lotnych pierwiastków niezbędnych do rozwoju życia. Proponujemy zatem, że substancje takie jak woda i węgiel były obecne już we wczesnej historii Ziemi, a nie zostały dostarczone dopiero po zakończeniu różnicowania się planety.

Ingrid Blanchard – badaczka CNRS, Centre national de la recherche scientifique (CNRS), Sorbonne Université.

Artykuł „Et si les éléments indispensables au développement de la vie étaient présents sur Terre depuis bien plus longtemps qu’on ne le pensait ?” ukazał się w magazynie The Conversation.

• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi