Крупнейший на Земле резервуар водорода может скрываться в её ядре

Согласно новому исследованию, ядро Земли содержит до 45 раз больше водорода, чем океаны, что делает его крупнейшим резервуаром водорода на планете.

Исследователи обнаружили, что такое огромное количество водорода попало в ядро Земли во время его формирования около 4,5 миллиардов лет назад и не было доставлено туда кометами, которые столкнулись с Землей после того, как ядро сформировалось. Это открытие может положить конец спорам о том, когда и как водород был доставлен на нашу планету.

«Гипотеза о том, что водород на Земле, включая водород в ядре, был доставлен во время формирования планеты, является общепризнанной», — говорит ведущий автор исследования Дунъян Хуанг из Пекинского университета в Китае. «Различия между исследователями заключаются в том, когда именно водород был доставлен в процессе формирования Земли».

Эти дебаты продолжаются, потому что водород в глубинах Земли чрезвычайно трудно количественно определить. Водород — самый маленький и легкий элемент во Вселенной, поэтому большинство методов не обладают достаточной разрешающей способностью для его надлежащего обнаружения в условиях высокого давления и высокой температуры, таких как ядро Земли.

Однако, по словам Хуанга, оценка количества водорода, заключенного внутри ядра, является ключом к пониманию того, как водород вообще туда попал.

В предыдущих исследованиях для оценки количества водорода в ядре Земли использовался метод рентгеновской дифракции. Этот метод позволяет количественно определить минералы и другие вещества в материале, анализируя, как этот материал рассеивает рентгеновские лучи. Поскольку ядро Земли почти полностью состоит из железа, ученые добавили водород к образцу железа в лаборатории и измерили расширение кристаллической структуры железа, чтобы рассчитать, сколько водорода может быть заключено внутри ядра.

По словам Хуанга, недостатком рентгеновской дифракции в данном случае является то, что она делает несколько важных предположений. Во-первых, она предполагает, что исследователи имеют точное представление о кристаллической структуре железа и о том, как она реагирует в определенных условиях. Во-вторых, она предполагает, что кремний и кислород, присутствующие в ядре, не деформируют кристаллическую структуру при растворении в железе — что, как оказалось, происходит.

В новом исследовании Хуанг и его коллеги использовали альтернативный метод, известный как атомно-зондовая томография. Эта техника позволяет «получить трехмерное наноразмерное картирование состава всех элементов периодической таблицы» и «идеально подходит для образцов, находящихся под высоким давлением», — сказал Хуанг.

Исследователи смоделировали условия, которые, вероятно, существовали во время формирования ядра Земли. Для начала они покрыли крошечный образец железа гидратированным силикатным стеклом, чтобы имитировать ядро, покрытое магмой. Затем они поместили этот объект внутрь алмазной наковальни — устройства, в котором два алмазных кристалла сжимаются вместе, создавая экстремальное давление, подобное тому, которое существует в ядре Земли. Для создания высокотемпературных условий ученые использовали лазеры, которые нагревали объект примерно до 4830 градусов по Цельсию.

В этом контексте исследователи использовали атомно-зондовую томографию. Они обнаружили, что водород, кислород и кремний одновременно растворяются в кристаллических структурах железа в экстремальных условиях, изменяя таким образом кристаллы ранее неизвестным образом.

Что особенно важно, в ходе эксперимента в «ядро» из «магмы» поступило равное количество водорода и кремния, что помогло исследователям оценить, что водород составляет от 0,07% до 0,36% массы ядра Земли.

Результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, показывают, что ядро Земли содержит в 9–45 раз больше водорода, чем океаны планеты. Если бы кометы доставили водород на Землю после завершения формирования ядра, водород в основном находился бы в более мелких слоях Земли. Но тот факт, что ядро является крупнейшим резервуаром водорода на Земле, указывает на то, что водород был доставлен до того, как ядро полностью сформировалось, сказал Хуанг.

«Это первый случай, когда был установлен механизм проникновения водорода в ядро», — сказал он.