На первый взгляд, Земля не кажется богатой водородом… но это не значит, что на ней полностью отсутствует самый распространенный элемент во Вселенной. Связанный с кислородом, он находится на виду в виде воды.
Однако, согласно новому исследованию, огромные запасы водорода могут быть также заключены в ядре нашей планеты, прикрепленные к плотно упакованному легированному железу, которое там находится. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Сколько? До 45 раз больше, чем примерно 150 квинтиллионов килограммов водорода, содержащихся в океанах Земли. Это сделало бы ядро планеты крупнейшим резервуаром водорода на планете.
Конечно, нам никогда не удастся получить к нему доступ. Но знание того, сколько водорода заключено в ядре, помогает ученым понять историю формирования нашей планеты, как она генерирует свое магнитное поле и откуда, черт возьми, взялась вода.
Действительно, «для получения такого количества воды Земле пришлось бы получать большую часть своей воды на основных этапах аккреции земной коры, а не через кометы на поздних стадиях этого процесса», — пишет группа исследователей во главе с геофизиком Дунъяном Хуаном из Пекинского университета в Китае.
Ограниченные невозможностью даже добраться до ядра нашей планеты, не говоря уже о его проникновении для получения образца, наши представления о его содержимом основаны на лабораторных экспериментах, моделировании и расчетах.
Работа, проведенная Хуангом и его коллегами, является одной из самых масштабных. Используя алмазную наковальню, исследователи сжали небольшой железный шарик, заключенный в гидратированное силикатное стекло, до давления до 111 гигапаскалей, одновременно нагревая его до температуры около 5100 Кельвинов. Нижний предел давления в ядре Земли составляет около 136 гигапаскалей , а его температура находится примерно в диапазоне от 5000 до 6000 Кельвинов.
Хотя давление в эксперименте немного не дотягивает до давления в ядре галактики, оно достаточно близко, чтобы эксперимент позволил достаточно точно воспроизвести поведение этих элементов в таких экстремальных условиях.
В этом температурном диапазоне образец полностью разжижается, не оставляя твердых частиц; компоненты тщательно перемешиваются. В этой бурлящей смеси железо, кремний, кислород и водород свободно перемещаются, и система ведет себя так, как, по нашим предположениям, вел себя расплавленный земной кора в начале эволюции.
Это максимально приближенный к лабораторным условиям способ воспроизведения образца керна, даже если полученный образец сохраняется лишь короткое время.
Результаты показали, что водород легко смешивался с железом, а затем связывался с кислородом и кремнием в смеси. Когда миллиарды лет назад формировалось ядро нашей планеты, водород мог быть заключен в нем таким же образом.
Мы знаем, что ядро состоит не из чистого железа; то, как оно отражает сейсмические волны, говорит о том, что оно недостаточно плотное. Предыдущие анализы показали, что кремний может составлять от 2 до 10 процентов ядра по весу.
На основе этих оценок и способа связывания водорода с кремнием в эксперименте с наковальней, команда рассчитала, что водород составлял от 0,07 до 0,36 процента массы ядра.
Это в 9–45 раз больше, чем количество водорода, содержащееся во всей воде океанов Земли – в общей сложности от 1,35 до 6,75 секстиллионов килограммов этого элемента.
Ученые давно подозревали, что ядро Земли содержит водород, но определить его количество было сложно. Данная работа предполагает, что, хотя планета внешне выглядит бедной водородом, видимый водород может составлять лишь небольшую часть от общего запаса водорода на Земле.
Понимание того, какое количество водорода заключено в ядре Земли, помогает ученым реконструировать происхождение воды на планете, а также то, как она хранилась и перерабатывалась на протяжении миллиардов лет. Если водород и кислород могут перемещаться в ядро и из него с течением времени, то вода может быть гораздо глубже внедрена в планету, чем это предполагают одни только поверхностные океаны.
И если этот процесс окажется распространённым, это может означать, что и другие каменистые планеты — даже те, которые издалека кажутся сухими — также могут скрывать воду глубоко под своей поверхностью.
