Ядро Землі традиційно уявляють як гігантську кулю, що складається переважно із заліза та нікелю. Однак там може бути прихований запас водню, еквівалентний десяткам океанів!
Дослідження, опубліковане в журналі Nature Communications, провела міжнародна група науковців під керівництвом Мотохіко Муракамі з ETH Zurich. Вчені спробували відтворити в лабораторії екстремальні умови, які існували під час формування Землі мільярди років тому.
Безпосередньо дослідити ядро нашої планети неможливо: жодна свердловина не здатна проникнути на таку глибину. Інформацію про внутрішню будову Землі вчені отримують переважно завдяки сейсмічним хвилям. Проте точно відтворити умови надзвичайного тиску й температури земного ядра дуже складно.
Для експерименту дослідники використали спеціальну установку з алмазними ковадлами, здатну створювати тиск, значно вищий за той, що існує на поверхні планети. За допомогою лазера зразки нагрівали до температур у тисячі градусів. У ході експерименту невеликий шматок металевого заліза помістили в середовище, що містило воду. Коли залізо плавилося, водень, кисень і кремній переходили в рідкий метал. Після цього зразок швидко охолоджували, щоб дослідити, де саме опинилися атоми. Найскладнішим завданням було виявити водень — найлегший хімічний елемент — усередині щільного металу.
За словами першого автора дослідження Дон’яна Хуана, сучасні методи томографії дозволили вченим уперше детально простежити поведінку цих атомів у металевому залізі.
Головний висновок полягає в тому, що водень у ядрі не існує у вигляді вільного газу чи молекул води. Він хімічно вбудовується в структуру металу, утворюючи сполуки заліза з воднем — гідриди. Ці структури пов’язані з наноструктурами, багатими на кремній і кисень. Саме цей механізм може пояснити, як значна кількість водню потрапила вглиб Землі під час формування її ядра, а не залишилася поблизу поверхні.
Використовуючи результати лабораторних експериментів і попередні оцінки кількості кремнію в ядрі Землі, дослідники припустили, що водень може становити від 0,07% до 0,36% маси ядра. На перший погляд, це небагато, однак ядро Землі має колосальні розміри.
Якщо перевести цей запас водню в умовний еквівалент води, його кількість відповідатиме приблизно 9-45 об’ємам сучасного Світового океану.
Новий погляд на походження води на Землі
Походження земної води давно залишається предметом наукових дискусій. Одна з теорій припускає, що значну її частину на Землю принесли комети та астероїди вже після формування планети. Інша версія говорить про те, що необхідні леткі речовини були присутні ще на ранніх етапах її утворення.
Нове дослідження підтримує іншу гіпотезу. Якщо велика кількість водню потрапила до ядра під час формування Землі, це означає, що значні запаси цього елемента існували на планеті вже на ранньому етапі її історії.
Це не означає, що комети та астероїди не брали участі у формуванні запасів води. Проте їхній внесок, можливо, не був головним джерелом водню, якщо нові оцінки підтвердяться подальшими дослідженнями.
Прихований у надрах водень може впливати на багато важливих процесів, що відбуваються на Землі протягом мільярдів років. Зокрема, вчені припускають можливий зв’язок між складом ядра, формуванням магнітного поля планети, рухом речовини в мантії та глобальним кругообігом водню між глибокими шарами Землі й поверхнею.
Результати дослідження можуть бути важливими не лише для розуміння історії нашої планети. Знання про поведінку водню в металах за надзвичайно високого тиску допоможе також моделювати внутрішню будову кам’янистих екзопланет.
Водночас автори наголошують: дослідження має бути продовжене. Наступним кроком стане перевірка того, наскільки лабораторні результати можна застосувати до надзвичайно складної системи реальної планети.
Проте вже зараз відкриття змушує по-новому поглянути на водну історію Землі. Можливо, океани, які ми бачимо на її поверхні, — лише невелика частина значно масштабнішої історії водню, більша частина якого назавжди прихована там, куди людство поки що не може дістатися.
«Наші результати поглиблюють розуміння глибинної будови Землі та дають нові підказки щодо того, як вода й інші леткі речовини розподілялися в ранній Сонячній системі та яким чином Земля отримала свій водень», — зазначив Мотохіко Муракамі.
Можливо, вода, яку ми сьогодні бачимо на поверхні планети, є лише видимою частиною величезного прихованого резервуара, що зберігається глибоко в її надрах.
