Самый большой запас водорода на Земле может скрываться в недрах Земли – и в десятки раз превышает объемы этого элемента в океанах. Новое исследование показало, что водород попал в ядро на ранних этапах формирования Земли и не был принесен позже кометами. Эти результаты помогают прояснить давнюю дискуссию о происхождении летучих веществ на нашей планете. Об этом сообщает Природное общение.
Водород из эпохи зарождения планеты
Ученые уже давно выдвинули гипотезу, что водород присутствует на Земле с момента ее образования около 4,5 миллиардов лет назад. Однако оставался открытым вопрос: на какой стадии оно оказалось в недрах – до образования ядра или после него, в результате столкновений с кометами.
«Гипотеза о том, что водород на Земле, включая водород в ядре, был высвобожден во время формирования планеты, широко распространена», — сказал ведущий автор исследования. Дунъян Хуан из Пекинского университета в Китае.
Различия между исследователями заключаются в том, когда именно водород был доставлен во время формирования Земли.
Определить это непросто: водород — самый легкий элемент, и обнаружить его в условиях колоссального давления и температуры крайне сложно, как и многие глубинные процессы в недрах Земли, изучить которые можно только косвенными методами.
Новый метод вместо предыдущих предположений
Ранее рентгеновская дифракция использовалась для оценки содержания водорода в ядре. Ученые проанализировали, как добавление водорода влияет на кристаллическую структуру железа, основного компонента ядра. Однако этот метод основывался на ряде предположений, в том числе на неизменности структуры железа при растворении в нем кислорода и кремния.
Команда Хуана использовала более точную технологию: атомно-зондовую томографию. Он обеспечивает трехмерную карту распределения элементов на наноуровне и подходит для анализа образцов, подвергающихся экстремальному давлению.
Чтобы смоделировать условия ранней Земли, исследователи покрыли микроскопический образец железа гидратированным силикатным стеклом, имитируя контакт ядра с магматической оболочкой. Затем образец помещался на алмазную наковальню и нагревался лазерами до температуры примерно 4830 °С.
Как водород попал в ядро?
Эксперимент показал, что в таких условиях водород, кремний и кислород растворяются в железе одновременно, изменяя его кристаллическую структуру. Более того, водород поступал в «ядро» вместе с кремнием в сопоставимых количествах.
По расчетам ученых, доля водорода в ядре варьируется от 0,07% до 0,36% массы. На первый взгляд это немного, но по общему объёму ядра оно оказывается колоссальным резервуаром — в 9-45 раз больше, чем весь водород в океанах Земли.
Аргумент против кометной версии
Если бы водород поставлялся кометами после образования ядра, он бы в основном оставался в верхних слоях планеты. Однако результаты показывают, что самое большое хранилище находится ровно в центре Земли. Это указывает на то, что водород был захвачен на стадии активной аккреции вещества и проник в формирующееся ядро вместе с расплавленным веществом.
«Впервые идентифицирован механизм проникновения водорода в ядро», — сказал Хуанг.
Полученные данные помогают лучше понять раннюю эволюцию Земли и процессы, определившие ее химический состав. Кроме того, выяснение роли водорода в формировании ядра важно для моделей внутренней динамики планеты и ее магнитного поля, изменения которого, например, уже зафиксированы в данных о смещении северного магнитного полюса. Исследование показывает, что ключевые элементы будущей обитаемой среды были заложены уже на этапе рождения Земли.