Ученые наконец выяснили, какие объекты били по Земле и Луне во время поздней тяжелой бомбардировки. Это были кометы, а не астероиды. И воды они могли принести ровно столько, чтобы наполнить Мировой океан.

Трудно поверить, но возраст Солнечной системы ученым известен с огромной точностью — около 0,02%. Крохотные пылинки слиплись в многометровые каменные глыбы 4568 млн лет назад — не 4565 и не 4570. Об этом говорит относительное содержание продуктов радиоактивного распада в метеоритах одного из типов — углистых хондритах. Эти небесные булыжники слишком малы, чтобы расплавиться от радиоактивности, потому в них не было позднего перемешивания вещества, и точное измерение содержания изотопов дает точную оценку возраста.

За образованием этих каменных глыб последовал достаточно стремительный процесс появления собственно планет. Булыжники слипались в утесы, утесы — в нечто похожее на астероиды, а те постепенно собрались в крупные тела наподобие Земли или Марса. Объекты—предшественники планет оказались в нужном месте и были самыми крупными телами в своих окрестностях, а потому и собрали на себя основную часть протопланетного материала.

А примерно через 60 млн лет после появления Земли, когда мантия уже успела отделиться от плотного ядра, в нашу планету врезалось какое-то крупное тело — по расчетам, примерно марсианских размеров. Зримым свидетельством этого исполинского столкновения является Луна, собравшаяся на орбите из брызг земной мантии, поднятой этим ударом.

Дневник космических ударов

А вот что было дальше, известно не очень хорошо. Понятно, что удары комет и астероидов по крупным телам Солнечной системы продолжались и после их окончательного оформления. В конце концов, продолжаются они и сейчас, и 101 год назад очень убедительное тому подтверждение обозначилось в изъеденном гнусом небе над Подкаменной Тунгуской. Однако очень яркая геологическая история нашей планеты вместе с многообразными процессами выветривания скрыла почти все следы прошлых катаклизмов.

Другое дело Луна, где нет ни дождей, ни ветров, ни вулканизма. По выражению директора Института астрономии РАН Бориса Шустова, это «настоящий дневник архивных записей» о прошлой метеоритной бомбардировке. И дневник показывает, что активность этой бомбардировки достигла максимума примерно 3,8−3,9 млрд лет назад, через 600−700 млн лет после образования естественного спутника Земли.

Именно в этот момент астероиды последний раз кардинально перепахали лик Луны, оставив на ее поверхности самые древние кратеры и лунные моря, образовавшиеся в местах самых крупных ударов. Эту эпоху астрономы уже давно называют поздней метеоритной бомбардировкой. И для Земли, которая куда сильнее Луны притягивает к себе межпланетных странников, эта бомбардировка была еще страшнее, чем для нашего спутника. Правда, по уже упомянутым причинам очевидных следов этого каменного дождя, каких-нибудь гигантских кратеров к примеру, на Земле не осталось.

Иридий из древней коры

Однако не такие заметные следы все-таки есть, и главный из них в химическом и изотопном составе земной коры. Общепринято самые древние ее участки, сохранившиеся на поверхности, датируются временем как раз примерно 3,8 млрд лет назад. Один из таких участков — это гранитный купол Исуа на юго-западе Гренландии и окружающий его зеленокаменный пояс. Именно здесь Уффе Гроэ Йергенсен из копенгагенского Института имени Нильса Бора и его коллеги из Дании и Японии отобрали несколько образцов осадочных пород. Результаты анализа этих камней описаны в статье, принятой к публикации в журнале Icarus.

Ученые сосредоточились на одном компоненте этой породы, измерив в ней содержание иридия. Естественное содержание иридия в земных коре и мантии практически нулевое, и появление этого элемента в осадочных породах всегда является следом бомбардировки малым космическим телом. Например, именно обнаружение Уолтером Альваресом иридия в породах на границе мелового и палеогенового периодов убедило большинство ученых в истинности астероидной теории вымирания динозавров.

Как выяснили Йергенсен и его коллеги, среднее содержание иридия в образцах из Исуа составляет около 150 (массовых) частей на триллион (ppt). Это примерно в семь раз превосходит среднее содержание иридия в океанической коре — коре, которая по большей части гораздо моложе гренландских пород, сформировалась из глубинных слоев мантии и ничего не помнит о поздней тяжелой бомбардировке.

Таким образом, в породах Исуа явно присутствует небесный сигнал. Более того, это породы осадочные, сформировавшиеся либо из отложений на дне древнего моря, либо из наносов доисторических рек, питавшихся с обширных территорий зеленокаменного пояса. По этой причине Йергенсен и его коллеги полагают, что это измерение отражает среднее содержание иридия в земной коре того времени, а не какое-то локальное значение.

Кометные снаряды

А далее датские и японские коллеги делают основные выводы. Исходя из концентрации иридия в древней земной коре и образцах лунных пород, доставленных на Землю 40 лет назад в рамках программы «Аполлон», ученые разрешают важнейший вопрос о том, какие объекты бомбардировали Луну и Землю почти 4 млрд лет назад. Планетологи уверенно доказывают, что это были ледяные кометы, а не каменные астероиды.

Дело в том, что эти две популяции различаются не только физической природой, но и характерными орбитами. В окрестностях Земли типичные кометы летят со скоростью почти вдвое большей, чем астероиды. При этом вторая космическая скорость (скорость убегания) на Луне в пять раз меньше, чем на Земле.

По этой причине удар по Луне — что кометы, что астероида — приводит на деле не к увеличению массы спутника, а к ее потере. 50% астероидов и 100% комет падают со скоростями, которые рождают выбросы со скоростью больше скорости убегания. Однако даже удары астероидов в среднем выбрасывают больше вещества, чем привносят; с кометами еще хуже.

С Землей лишь 10% астероидов и 50% комет сталкиваются со скоростями, которые приводят к выбросам, покидающим планету. При этом лишь в случае с астероидами баланс оказывается положительным — в среднем бомбардировка приводит к увеличению массы Земли. В случае с кометами дебет с кредитом сходятся: на каждую тонну падающих комет Землю покидает примерно тонна вещества. Но лишь половина этой тонны — вещество кометы. Оставшиеся полтонны, в том числе богатая иридием пыль, оседают на Земле.

Как вычислили Йергенсен и его коллеги, измеренное содержание иридия в древней земной коре (150 ppt) и лунном грунте (10 ppt) можно объяснить, только допустив, что подавляющую часть агентов поздней метеоритной бомбардировки составляли кометы.

Океан с давних пор и поныне

При этом несложно вычислить, и сколько вообще кометного вещества упало на Землю: получается что-то в районе 2 тыс. т на каждый квадратный метр поверхности, из которых 1 тыс. т на ней осталась. Эта тысяча тонн на квадратный метр на 80% состояла из воды, а значит, кометной бомбардировки было достаточно, чтобы создать Мировой океан средней глубиной примерно с километр.

Но даже не это самое интересное. Теория, развитая учеными в этой работе, предсказывает и площадь Мирового океана. При бомбардировке начинает работать своего рода механизм самоконтроля. Если комета попадает в океан, это падение лишает Землю большего количества воды, чем приносит сама комета. Если космическая ледышка падает на твердую поверхность, приток воды оказывается положительным.

Баланс наступает, если океан примерно равен суше, то есть после великой кометной бомбардировки водой должно быть покрыто около 50% поверхности планеты. Таким образом, и средний по планете столб в 1 км воды превращается примерно в 2 км средней глубины океана.

Сейчас вода покрывает около 75% поверхности Земли, средняя глубина океана — около 3,5 км. Это, конечно, не 50% и 2 км. Но и не 1% и 1 м. И не 99% и 1000 км. Для простого теоретического расчета совпадение просто замечательное. Может, именно поздняя бомбардировка определила нынешний облик Земли?