Откуда и когда на Земле появилась вода?
На Землю вдруг упал сугроб
До начала XXI века преобладало мнение, что Земля родилась сухой. Аргументы казались очень серьёзными. В первые десятки миллионов лет истории Земли наша планета, по мнению учёных, была раскалена из-за массированной бомбардировки планетезималями, а позднее она столкнулась с протопланетой при образовании Луны (см. статью «Почему Земля внутри горячая?», «Наука и жизнь» № 2, 2026 г., стр. 81). Все эти катаклизмы должны были расплавить Землю, по крайней мере, на несколько сот километров в глубину и выпарить оттуда всю воду. Кроме того, в зоне образования Земли планетезимали были бедны водой, а ближайшие богатые ею находились далеко — за пределами снеговой линии. Поэтому учёные полагали, что воду, образующую гидросфер у нашей планеты, принесли из внешней части Солнечной системы кометы, которые столкнулись с Землёй, когда она значительно остыла. Сейчас гидросфера состоит из Мирового океана, континентальных поверхностных вод (реки, озёра, грунтовые воды) и ледников. Поскольку Мировой океан содержит около 96% всей воды в гидросфере, то, говоря о ней, часто используют просто слово океан.
Идея космического происхождения земной воды родилась давно. О гипотезе ледяных метеоритов, например, упоминал в своей «Истории природных вод» (1933 год) академик В. И. Вернадский. Он даже взял эпиграфом к главе «Вода в космосе» строки из стихотворения «Космический лёд» российского геолога и исследователя метеоритов, в том числе тунгусского, Петра Людовиковича Драверта, написанного им в 1921 году: «В пространстве мировом среди метеоритов в <…> извечно носятся, блуждая, глыбы льда». Но научную базу под эту гипотезу подвёл американский астроном Фред Уиппл, который в 1950-е годы предположил, что ядро кометы представляет собой смесь льдов с вкрапленными частицами метеорного вещества (теория «грязного снежка»).
Но как доказать или опровергнуть, что именно кометная вода заполнила земные океаны? Тут на помощь геофизикам пришёл анализ изотопного состава. Атомы всех химических элементов имеют разновидности — изотопы, различающиеся количеством нейтронов в ядре. Имеет изотопы и водород. Ядро обычного водорода — протия — состоит из одного протона. Ядро тяжёлого водорода — дейтерия — содержит один протон и один нейтрон. Этот стабильный изотоп часто обозначается буквой D. Есть ещё тритий с двумя нейтронами, но он радиоактивен, то есть нестабилен, а потому нас интересовать не будет. Химические свойства всех изотопов одинаковы, поэтому дейтерий тоже взаимодействует с кислородом, образуя воду D2H, которую называют тяжёлой. Дейтерий — изотоп достаточно редкий, в земной воде один его атом приходится примерно на 7000 атомов протия. Поэтому тяжёлая вода составляет миллионные доли процента от её общего количества. Гораздо чаще встречаются молекулы воды, в которых только один атом дейтерия HDO. Такую воду называют полутяжёлой. Её доля примерно 0,015%. Поскольку практически весь дейтерий находится в ней, то таким же считается и соотношение количеств дейтерия и водорода, которое обозначают D/H. Более точно (и без процентов) в океанской воде D/H≈1,56·10-4.
Дейтерий образовался в основном во время первичного нуклеосинтеза. Какое-то ещё его количество возникло потом в недрах звёзд. Поэтому протопланетный диск, из которого сформировались Земля и другие тела Солнечной системы, с самого начала содержал некоторое количество дейтерия. Причём его концентрация была неравномерна. Где-то в диске его было больше, где-то меньше. Соответственно содержание дейтерия в телах, образовавшихся в разных частях Солнечной системы, тоже разное. Поскольку он стабилен, то его количество сохраняется в любых процессах и может быть маркером места образования космических тел. При падении на Землю с дейтерием ничего случиться не может, поэтому вещество, осевшее на нашу планету, должно унаследовать отношение D/H от своего источника.
В конце XX века удалось измерить отношение D/H сразу для трёх комет. В 1986 году недалеко от знаменитой кометы Галлея пролетел зонд «Джотто» (ЕКА) и сумел взять пробы вещества для анализов, результаты которых были опубликованы в 1995 году. Отношение D/H спектроскопическими методами было определено для подошедших в 1996 году близко к Земле комет Хейла — Боппа и Хякутакэ. Во всех случаях оно оказалось в два раза выше, чем для земной воды, что поставило под сомнение её кометное происхождение. И позднее у большинства исследованных комет отношение D/H было заметно выше земного. А анализ вещества комет 81Р/Вильда миссией «Стардаст» (НАСА) в 2006 году и 67P/Чурюмова — Герасименко зондом «Розетта» (ЕКА) в 2014 году показал, что дейтерия там даже в три раза больше, чем на Земле. В результате в настоящее время астрономы пришли к выводу, что кометы не являются основным источником земной воды. Если бы океаны были «растаявшей кометой», вода в вашем чайнике была бы гораздо «тяжелее» по изотопному составу.