Группа исследователей под руководством Дунъяна Хуана пришла к выводу, что ядро Земли является крупнейшим резервуаром водорода. По их оценкам, на этот элемент приходится от 0,07% до 0,36% общего веса ядра. Такое количество вещества эквивалентно десяткам масс всей воды, находящейся на поверхности. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
В ядре Земли могут находиться огромные «океаны» водорода
Ученые из Пекинского университета воссоздали на модели условия центра Земли. Они обнаружили, что в земном ядре может находиться от 9 до 45 мировых океанов в виде водорода. Это доказывает, что Земля получила запасы воды еще на этапе формирования, а не только из упавших позже комет и метеоритов.
Ученые использовали новый метод для оценки количества водорода в ядре Земли. Tumeggy/Science Photo Library RF/Getty Images
Неуловимый водород. Водород — самый маленький элемент, и он способен просачиваться сквозь кристаллическую решетку твердых металлов. В условиях лаборатории крайне сложно удержать его внутри образца железа при переходе от колоссального давления недр к нормальному состоянию. Именно поэтому прошлые оценки ученых так сильно различались: водород просто «убегал» из приборов до того, как его успевали надежно зафиксировать и измерить.
Это открытие меняет представление о ранней истории нашей планеты. Согласно основной гипотезе, вода на Землю была занесена из космоса значительно позднее ее формирования, но наличие огромных запасов водорода в самом центре планеты указывает на то, что он присутствовал там с самого начала.
Геологическая структура Земли.
«Ядро Земли накопило большую часть воды в первые миллионы лет истории планеты», — отмечает Хуан. Если это так, поверхность на которой зародилась жизнь, содержит лишь малую часть общего водородного запаса Земли, в то время как мантия и ядро выступают главными хранилищами.
Атомный масштаб открытий
Сложность изучения земного центра заключается в невозможности прямого наблюдения и трудностях фиксации водорода — самого легкого элемента во Вселенной. Чтобы обойти эти препятствия, ученые применили метод атомно-зондовой томографии. Они использовали лазеры для плавления железа в условиях экстремального давления, создаваемого алмазными наковальнями.
Алмазная наковальня основана на простом физическом законе: давление — это сила, деленная на площадь. Если приложить даже небольшое усилие к крошечной поверхности, давление на ней будет колоссальным. Берутся два идеально ограненных природных или синтетических алмаза. Их верхушки (калетты) стачиваются до плоской площадки диаметром меньше человеческого волоса (от 10 до 100 микрон). Исследуемое вещество (в нашем случае железо и водород) помещается в маленькое отверстие в металлической прокладке между этими двумя алмазами. Когда винты наковальни затягиваются, алмазы начинают давить друг на друга. Благодаря твердости алмаза ученые достигают давления в миллионы атмосфер (сотни гигапаскалей), что соответствует давлению в ядре планеты.
Анализируя структуру образцов на нанометровом уровне, специалисты смогли буквально пересчитать ионы и увидеть, как водород взаимодействует с кремнием и кислородом. Эти данные позволили уточнить старые расчеты, которые давали слишком большой разброс значений.
Полученные результаты важны не только для геологии, но и для понимания того, как формировалось магнитное поле Земли. Взаимодействие элементов в раскаленном металлическом «динамо» нашей планеты высвобождало тепло, которое запускало процессы, сделавшие Землю пригодной для жизни. Несмотря на возможные погрешности в измерениях из-за утечки газа, работа дает мощный фундамент для изучения эволюции планет.