КОГДА ЯДРО ЗЕМЛИ ПРОГЛОТИЛО ЕЁ АТМОСФЕРУ

Атмосфера Земли необычна среди каменных планет. У Венеры и Марса, несмотря на колоссальную разницу в давлении, воздух состоит примерно на 95% из углекислого газа и на несколько процентов из азота. Земной беден углекислым газом и богат кислородом. Отчасти разница объясняется миллиардами лет геологии и жизни. Но планеты могли и начинать с разными запасами элементов, из которых состоят атмосферы и живые существа: водорода, углерода и азота.

Вера Спаррман из Копенгагенского университета и Андерс Йохансен из Копенгагена и Лундского университета в Швеции вернулись к самому началу — ко времени, когда Земля ещё росла внутри диска газа и пыли вокруг молодого Солнца.

Железный дождь сквозь море магмы

На этом этапе тепло, выделявшееся падающим веществом, поддерживало мантию планеты в расплавленном состоянии. Растущую Землю окутывал глобальный магматический океан. Каждая новая порция вещества приносила породу, которая смешивалась с магмой, и железо-никелевый металл, который тонул в ней каплями — со скоростью около метра в секунду, — строя ядро. Газы из атмосферы растворялись в магме, а часть из них, в свою очередь, растворялась в падающем металле. Так железный дождь мог уносить их до самого дна.

Авторы смоделировали этот обмен между атмосферой, магматическим океаном и ядром слой за слоем — от зародыша в 2% массы Земли до 64%, примерно прото-Земли перед гигантским столкновением, породившим Луну. Общие количества водорода, углерода и азота подогнали под оценки для современной Земли, включая те, что, как считается, скрыты в её ядре.

Два способа построить планету

Сравнивались два пути роста:

• Аккреция камешков (pebble accretion): Земля собирает камешки размером от миллиметра до сантиметра. По мере того как окрестности планеты разогреваются, эти мелкие зёрна теряют летучие компоненты ещё до прибытия. Водород почти сразу перестаёт поступать; углерод и азот — примерно при массе Марса. Летучие вещества приходят рано.
• Аккреция планетезималей: Земля растёт из тел размером в сотни метров и больше, которые защищают свои летучие вещества внутри. Доставка идёт непрерывно.

Ранний приход — глубокое погребение

Время оказалось очень важным. При ранней доставке каждая порция металла, выпадающая позже, продолжает «вычищать» магму. В сценарии с камешками около 70% водорода и 69% углерода оказывается в ядре. При непрерывной доставке ядро забирает не более примерно половины, а мантия и атмосфера сохраняют примерно вдвое больше. Эти доли получены по тому набору лабораторных измерений, который авторы берут за основу; как мы увидим, другой набор даёт совсем другие числа.

Куда попадают водород, углерод и азот, пока прото-Земля из камешков растёт от 0,02 до 0,64 массы Земли: ядро (тёмно-красный), магматический океан (оранжевый), атмосфера (синий). — Рисунок 4 (верхний ряд), Sparrman и Johansen (2026), arXiv:2610.27788.

Кто ускользнёт, решает растворимость — то, сколько газа магма способна растворить при данном давлении: только то, что уже растворено в магме, могут подхватить падающие сквозь неё капли металла. Вода растворяется легко, поэтому водород оказывается под железным дождём и эффективно тонет. Угарный газ растворяется гораздо хуже, так что в каждый момент большая часть углерода остаётся наверху, в воздухе; но весь металл, выпадающий позже, вычерпывает растворённую долю, которую атмосфера сразу же восполняет, и в итоге 69% углерода всё равно уходит вниз. Азот — обратный пример: его сродство к металлу выше, чем у водорода, но до ядра доходит лишь 4% — он растворяется настолько плохо, что почти никогда не оказывается там, где проходит железный дождь, и 93% остаётся в атмосфере. Нерастворимость защищает.

Тяжёлое небо из угарного газа

В конце сценария с камешками остаётся плотная первичная атмосфера давлением около 760 бар — воздух, которым мы дышим, давит на уровне моря с силой 1 бар, а воздух Венеры — 92 бар. В ней преобладает углерод, в основном в виде угарного газа (около 710 бар), с примерно 39 бар водорода и 1,7 бар азота. Углерода, который ускользнул от ядра и оказался в этой атмосфере, примерно в 15 раз больше, чем углекислого газа в нынешней атмосфере Венеры; азота — примерно столько же, сколько азота у Венеры. Сценарий с планетезималями даёт ещё более тяжёлое небо, около 1350 бар, похожего состава.

Атмосфера прото-Земли из камешков по мере её роста: когда доставка прекращается, железный дождь продолжает вытягивать водород и углерод, и начинает доминировать угарный газ (красный пунктир). — Рисунок 7 (вверху), Sparrman и Johansen (2026), arXiv:2610.27788.

После окончания аккреции авторы ожидают, что мантия окислится, а атмосфера сместится к воде и углекислому газу, и сконденсируются океаны. Если экстраполировать модель на массу Венеры, она даёт похожее начало — около 500 бар угарного газа; авторы предполагают, что расхождение двух планет может объясняться не иным рождением, а тектоникой плит на Земле, которая хоронит углерод.

Каким путём росла Земля?

В принципе, оставшиеся количества могли бы раскрыть, как сформировалась Земля. Модель с камешками и эталонными данными — единственная, которая совпадает с опубликованными оценками для всех трёх элементов в современной мантии. Но эти оценки расходятся между собой примерно так же сильно, как модели, а лабораторные измерения того, как эти элементы распределяются между металлом и породой, различаются на несколько порядков величины — с другим набором данных весь водород оказывается в ядре. Растворимость угарного газа в магме — самый влиятельный и наименее изученный входной параметр. Более точные эксперименты, заключают авторы, могли бы превратить состав земных недр в летопись того, как строилась планета.