Лишившись своей примитивной атмосферы, расплавленная Земля начала извергать газы во второй раз. Благодаря подвижности расплавленных горных пород более плотные металлы начали опускаться к ядру, освобождая место для более легких силикатов, из которых сформировалась мантия. В процессе плавления горных пород из них высвобождались газы, вырываясь наружу в составе вулканических выбросов и образуя вторую атмосферу Земли. Новая атмосфера представляла собой смесь водяных паров, окиси углерода, углекислого газа и азота. В ней все еще не было свободного кислорода: для его появления требовались фотосинтезирующие формы жизни. Молекулы новой атмосферы были достаточно тяжелыми, чтобы удерживаться земной гравитацией и не покидать планету. Конечно, это была еще не та атмосфера, которой мы дышим сегодня, но она уже могла служить основой для зарождения жизни.
Впрочем, и тут без тайн не обошлось: откуда взялись водяные пары, которые выбрасывала гадейская Земля?
Тайна воды
На фотографии восхода Земли мы видим хрупкую голубую планету, 71% поверхности которой покрыт водой. В массе планеты доля воды существенно меньше: если к поверхностным водам добавить тот объем, который, по оценкам, заключен в мантии, мы получим менее 0,1% массы всей Земли. При этом, где бы на Земле ни встречалась вода, ее неизменно сопровождает жизнь. С нашей точки зрения, это означает, что вода — ключевой элемент жизни.
Но происхождение этой воды остается загадкой: из-за близости к Солнцу пыль, из которой формировалась Земля, была слишком теплой, чтобы в ней мог содержаться лед. Твердые частицы, в результате столкновения которых образовалась Земля, состояли главным образом из сухих силикатов. Чтобы стать участником процесса формирования планеты, лед должен был иметь форму затвердевших частиц, а в этой форме он существовал только за снеговой линией в холодном царстве газовых гигантов.
Последствия этого до сих пор можно наблюдать в поясе астероидов в виде полосы остаточных планетезималей, которая располагается между Марсом и Юпитером, то есть как раз там, где пролегает снеговая линия. Cтолкновения и взаимодействия астероидов приводят к тому, что некоторые из них направляются к Земле, падая на ее поверхность в виде метеоритов. Поэтому у нас достаточно информации об их свойствах. В частности, мы знаем, что в астероидах во внешней части пояса, находящихся на расстоянии 2,4–4 а.е., содержится значительное количество льда, составляющее до 10% их массы. Чем ближе к Марсу и Земле вдоль пояса, тем астероиды суше: доля льда в их массе не превышает 0,05% — 0,1%. Несмотря на неизбежное изменение количества льда за прошедшие миллиарды лет, тенденция говорит о том, что наша планета сформировалась из сухого материала. Но тогда откуда взялись океаны?
Мокрая Земля
Первый вариант ответа на этот вопрос — сценарий мокрой Земли. Согласно этому сценарию, в процессе формирования Земля аккумулировала воду так же, как газ.
Несмотря на отсутствие во внутренней части Солнечной системы твердого льда, водяных паров в протопланетном диске было в избытке. Они окутывали планетезимали, из столкновений которых родилась Земля. Если допустить, что какое-то количество паров «прилипало» к каменистым телам, то они вполне могли войти и в состав самой планеты. Когда в гадейский период в расплавленных недрах Земли начались сдвиги, пары воды могли выйти наружу через вулканы и, охладившись, сформировать океаны.
Согласно другому похожему сценарию, Земля могла удержать пары воды, аккумулированные в период формирования примитивной атмосферы. Легких водорода и гелия она лишилась, но более тяжелые молекулы воды смогла сохранить, и позже они присоединились к газам во вторичной атмосфере.
Вода определенно могла участвовать в формировании Земли, но в этой теории все-таки есть ряд нерешенных вопросов. Один из них — удержание газа, захваченного из протопланетного диска, и возник этот вопрос в связи с обилием инертных газов, то есть гелия, неона и аргона, которые отличаются низкой реакционной способностью. Отсутствие химических взаимодействий означает, что объем этих газов практически не меняется со временем. Если часть своей атмосферы наша планета действительно получила из протопланетного диска, тогда доля инертных газов в атмосфере Земли должна быть аналогична той, которая характерна для Солнца. Но на самом деле в земной атмосфере их намного меньше, то есть, скорее всего, она была дегазована и не является результатом удержания газов. Более того, для удержания достаточного количества воды примитивная атмосфера Земли должна была быть очень большой. Однако формирование Земли проходило весьма медленно, на него ушло больше времени, чем существовал протопланетный диск. Поэтому времени для накопления достаточного количества газа могло быть недостаточно. Это не означает, что вода не могла быть получена вместе с планетезималями, но указанных вопросов достаточно, чтобы предположить, что вода попала на Землю уже после завершения формирования планеты.
Сухая Земля
Источником воды могли стать скованные льдом метеориты. Эти каменистые объекты могли формироваться в окружении льда в отдаленных участках нашей Солнечной системы, а затем оказаться там, где находятся планеты земной группы. Изрытая кратерами поверхность Луны — свидетельство активной бомбардировки каменными глыбами, которые должны были сыпаться градом на планеты земной группы во время их формирования. Если на Земле атмосфера превращала в пар многие попадающие в нее метеориты, а поверхность обновлялась и разглаживалась благодаря вулканической активности, то Луна сохранила свой испещренный оспинами лик со времен бурной молодости. Если наша планета первоначально была сухой, то своими океанами она может быть обязана как раз нескончаемому потоку обледеневшего материала, барабанившего по ее поверхности.
Главными виновниками этого каменного града можно считать газовые гиганты. Благодаря своей огромной массе они создавали гравитационное притяжение такой силы, которая заставляла разлетаться по Солнечной системе остававшиеся вокруг них планетезимали подобно шарам в гравитационном бильярде. Поскольку эти каменные шары формировались по соседству с газовыми гигантами за снеговой линией, то, врываясь во внутреннюю часть Солнечной системы и попадая в планеты земной группы, они должны были приносить с собой немало льда.
Не все в этой теории появления воды на Земле до конца понятно. В частности, в Солнечной системе есть много участков, по которым разбросаны остатки сыгранного газовыми гигантами бильярдного матча. И у каждого из них своя история. Если бы удалось найти участок с каменистыми телами, похожими на те, которым мы обязаны нашими океанами, это помогло бы нам понять, как Земля стала обитаемой, и продвинуться в поисках второй планеты, способной обеспечить условия для существования жизни.
Как раз неподалеку от наших планет находится полоса таких бесхозных шаров, за которой закрепилось название пояс Койпера. Располагаясь на расстоянии 30–50 а.е., это скопление каменистых тел обращается вокруг Солнца сразу за Нептуном. Самый известный представитель пояса Койпера — карликовая планета Плутон, но считается, что ее окружают приблизительно 100 000 других крупных объектов диаметром более 100 км.
Своим именем пояс Койпера обязан американскому астроному нидерландского происхождения Джерарду Койперу, который высказал предположение, что эти объекты могли сформироваться на ранних этапах истории Солнечной системы. Впрочем, не все так однозначно: за восемь лет до публикации статьи Койпера в 1951 г. с аналогичным предположением выступил ирландский астроном Кеннет Эджворт. Более того, Койпер думал, что эта полоса объектов не просуществует долго: по его мнению, массивный Плутон должен был заставить разбежаться в стороны всех своих соседей. То есть он скорее выступал против возможности существования группы объектов, которая носит его имя. На самом деле масса Плутона намного меньше значения, которым оперировал Койпер, из-за чего он оказывает весьма незначительное влияние на своих попутчиков. Поэтому это скопление объектов часто называют поясом Эджворта — Койпера или используют термин «транснептуновые объекты».
Механизм образования пояса Койпера точно не известен. Не исключено, что это скопление тел сформировалось там, где оно находится сейчас, но его удаленность от Солнца вызывает ряд вопросов. На таком расстоянии частицы пыли в протопланетном диске должны были распределиться вдоль широкой орбиты, что снижало вероятность столкновений, необходимых для образования тел размером 100 км и даже 1000 км. Проблему усугубляет присутствие Нептуна, гравитационное притяжение которого нарушает однородность внутренних участков пояса Койпера, увеличивая скорость движущегося там вещества. Получая ускорение, частицы и планетезимали движутся недостаточно медленно, чтобы слипаться при столкновениях, что еще больше замедляет скорость их роста. Этого влияния можно было бы избежать, если бы объекты внутри пояса Койпера сформировались до появления Нептуна, но тогда скорость накопления ими массы должна была быть еще выше.
Поэтому более вероятным представляется сценарий, при котором сначала эти каменистые тела были выброшены за пределы данного участка под воздействием гравитации самых дальних газовых гигантов — Урана и Нептуна, что обеспечило формирование планетезималей и карликовых планет в более насыщенной столкновениями среде на меньшем расстоянии от Солнца, после чего они были вытолкнуты на задворки планетной системы. Нептун, безусловно, имеет прямое отношение к эволюции пояса Койпера. Его самый большой спутник Тритон когда-то был частью пояса Койпера, но потом оказался во власти Нептуна. В отличие от большинства других спутников планет в нашей Солнечной системе, Тритон движется по своей орбите в направлении, противоположном направлению вращения планеты, и имеет тот же состав, что и Плутон. Это веское доказательство того, что он сформировался не рядом с Нептуном, а попал на его орбиту позже.