Новое исследование подтверждает наличие 45 океанов водорода в центре Земли
Ученые в статье, опубликованной в журнале Nature Communications, представили доказательства того, что ядро Земли хранит в себе колоссальное количество водорода — эквивалентное 45 океанам, что не только меняет представление о составе нашей планеты, но и заставляет переписать сценарий ее водной истории.
Проблема изучения земного ядра всегда напоминала попытку описать картину, не видя холста, ведь до него невозможно добраться, а экстремальные давления в сотни гигапаскалей и температуры в тысячи кельвинов разрушают любые привычные методы анализа. Особенно сложно всегда было с водородом: самый легкий и маленький элемент ускользает от детекторов, а его присутствие ранее оценивали лишь косвенно, например, по тому, как он раздвигает кристаллическую решетку железа.
Эти старые методы давали такой разброс данных, что оценки содержания водорода отличались друг от друга в десять тысяч раз, оставляя ученых в состоянии полной неопределенности. Теперь группа исследователей подошла к вопросу иначе, решив не искать водород напрямую в недрах, а воссоздать эти недра в миниатюре у себя в лаборатории.
Ключевым инструментом стали алмазные наковальни — устройство, где два идеально ограненных алмаза сжимают микроскопические образцы с чудовищной силой. В камеру, разогретую лазером до температуры около 5100 Кельвинов, и при давления 111 гигапаскалей, поместили железо, имитирующее материал ядра, и гидратированное силикатное стекло, выступившее в роли древнего магматического океана. В таких условиях материалы начинали плавиться и взаимодействовать, имитируя процессы, которые шли миллиарды лет назад на границе формирующегося ядра и мантии. Но главная инновация заключалась не в самой установке, а в методе анализа. Остывшие образцы исследовали при помощи атомно-зондовой томографии — технологии, позволяющей создать трехмерную карту расположения атомов с беспрецедентным наноразмерным разрешением.
Эта карта открыла удивительную картину. В процессе закалки в образцах сформировались наноструктуры, обогащенные кремнием, кислородом и водородом. Самым важным открытием стало то, что молярное соотношение кремния и водорода в этих структурах оказалось близко к единице. Эта пропорция стала тем ключом, который позволил решить уравнение: если мы примерно знаем, сколько кремния находится в ядре, а теперь знаем, в какой пропорции он там связан с водородом, то можно с высокой точностью вычислить содержание водорода. Расчеты показали, что внутреннее ядро содержит от 0,07 до 0,36 весовых процентов водорода. В переводе на понятный язык, из этого водорода можно создать количество воды, эквивалентное объему от 9 до 45 земных океанов.
Однако гораздо интереснее цифр то, как этот водород туда попал и что это значит для понимания истории Земли. Если бы вода была занесена на планету кометами уже после того, как ядро сформировалось и опустилось в центр, водород остался бы в верхних слоях — в мантии и коре. Но исследование показывает, что водород находится глубоко внутри, а это означает, что он уже присутствовал на протопланетной стадии, когда железо еще только стекалось к центру будущей Земли. Водород, захваченный железом в те времена, опустился вместе с ним, сформировав тот гигантский резервуар, который ученые наблюдают сегодня. Это делает теорию поздней доставки воды кометами гораздо менее вероятной: Земля, по всей видимости, родилась уже «мокрой».
Авторы исследования подчеркивают, что такая модель отлично согласуется с динамикой ранней Солнечной системы, где вода доставлялась не отдельными ледяными глыбами на финальном этапе, а постепенно — вместе с пылью и планетезималями. Особенно правдоподобным это делает гипотеза о том, что Земля сформировалась из материала, похожего на энстатитовые хондриты. Эти метеориты давно привлекают внимание ученых из-за своего изотопного сходства с нашей планетой, но теперь выясняется, что они содержат достаточно водорода, чтобы обеспечить как минимум три объема земных океанов.
В рамках предложенной модели взаимодействия первичной водородной атмосферы с океаном магмы включение воды в структуру растущей планеты перестает быть загадкой и становится неизбежным следствием физики процессов аккреции.
Тем не менее, сами ученые призывают не воспринимать их выводы как окончательную истину. Метод атомно-зондовой томографии настолько чувствителен, что остаточный водород в вакуумной камере прибора может быть ошибочно принят за водород из образца, что способно искусственно завысить итоговые показатели. Кроме того, исследование опирается на предположение о достаточном количестве кремния в ядре и обилии водорода на заре формирования Земли, что все еще остается областью дискуссий.
Технические сложности, такие как растрескивание образцов под экстремальным давлением, также вносят свою долю погрешности. Однако даже с этими оговорками работа является большим шагом вперед: она не просто дала нам конкретную цифру, но и предложила работоспособную методологию, с помощью которой мы теперь можем буквально «разглядеть» атомы древнего мира, спрятанные в наковальнях из алмазов.