Планеты скрывают гораздо больше воды, чем мы думали
Долгое время ученые полагались на простую модель для понимания состава планет: Земля имеет железное ядро, мантию, состоящую из силикатных пород, и воду на поверхности. Эта модель также широко применялась при изучении экзопланет - планет, вращающихся вокруг звезд за пределами нашей Солнечной системы.
Однако последние исследования показали, что планеты устроены сложнее, чем предполагает эта модель, особенно те, которые расположены близко к своим звездам. Такие экзопланеты часто бывают очень горячими, с океанами расплавленной магмы, а не твердыми силикатными мантиями, как у Земли.
В таких расплавленных условиях вода растворяется гораздо легче, чем газы, такие как углекислый газ, которые обычно улетучиваются в атмосферу.
«Только в последние годы мы начали понимать, что планеты устроены сложнее, чем мы думали», - говорит Каролина Дорн, астроном из ETH Zurich.
Изучение распределения воды на далеких планетах
Дорн вместе с Хайяном Луо и Цзе Денгом из Принстонского университета изучали распределение воды внутри расплавленных экзопланет, уделяя особое внимание ее взаимодействию с железными ядрами.
В исследовании, недавно опубликованном в журнале Nature Astronomy, для изучения этих процессов использовались модельные расчеты, основанные на фундаментальных физических законах.
«Для формирования железного ядра требуется время. Большая часть железа изначально содержится в горячем магматическом бульоне в виде капель, - пояснил Дорн. Когда эти железные капли опускаются вниз и формируют ядро планеты, они приносят с собой воду». «Капли железа ведут себя как лифт, который передается вниз воде», - добавила она.
У больших планет больше воды в ядре
Ранее такое поведение наблюдалось только при умеренном давлении внутри Земли. Однако новое исследование показывает, что на больших планетах с более высоким внутренним давлением это явление проявляется еще сильнее.
«Чем больше планета и чем больше ее масса, тем больше воды стремится попасть в капли железа и интегрироваться в ядро», - отметил Дорн. В таких условиях железо может поглотить в 70 раз больше воды, чем силикаты».
Из-за огромного давления в ядре вода не остается в виде молекул H2O, а распадается на водород и кислород.
На Земле может быть еще 80 океанов воды
Исследование было частично вдохновлено предыдущими исследованиями содержания воды на Земле, которые четыре года назад привели к удивительному открытию: вода в земных океанах составляет лишь малую часть от общего количества воды на планете.
Моделирование показало, что в недрах планеты может храниться вода, эквивалентная более чем 80 земным океанам. Эта идея согласуется с результатами сейсмологических измерений и экспериментальными данными, что дает новое понимание того, как вода хранится внутри планет.
Планеты более богаты водой, чем ожидалось
Эти новые выводы имеют значительные последствия для того, как астрономы интерпретируют данные об экзопланетах. Когда астрономы измеряют массу и размер экзопланеты с помощью телескопов, они часто строят диаграммы масса-радиус, чтобы сделать вывод о составе планеты.
Если не учитывать распределение и растворимость воды, ее количество может быть недооценено в десятки раз. «Планеты гораздо более богаты водой, чем предполагалось ранее, - говорит Дорн.
Распределение воды внутри планеты имеет решающее значение для понимания ее формирования и эволюции. Вода, опустившаяся в ядро планеты, остается там навсегда.
Однако вода, растворенная в расплавленной мантии, может подниматься на поверхность по мере остывания планеты. «Поэтому если мы находим воду в атмосфере планеты, то в ее недрах ее, вероятно, гораздо больше», - добавила она.
