Группа исследователей из Китая и Швейцарии провела эксперимент, который позволяет предположить, что ядро Земли может содержать колоссальные запасы водорода, по объему эквивалентные 45 Мировым океанам. Эти данные ставят под сомнение устоявшуюся теорию о том, что вода на нашей планете имеет преимущественно кометное происхождение.
На протяжении долгого времени ученые знали, что плотность земного ядра ниже, чем плотность чистого железа, что указывает на присутствие в нем более легких элементов, включая водород. Хотя большая часть поверхности Земли покрыта водой, молекула которой содержит водород, ряд исследований предполагает, что основные запасы этого элемента хранятся глубоко внутри планеты еще с момента ее формирования около 4,5 миллиарда лет назад. Однако точная оценка количества водорода в ядре всегда была сложной задачей из-за экстремальных условий и недоступности этих глубин.
Чтобы преодолеть эти трудности, команда ученых из Пекинского университета и Швейцарской высшей технической школы Цюриха применила новый подход. В своем исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, они использовали лазерный нагрев в алмазных наковальнях для воссоздания условий, царящих в недрах планеты. В отличие от предыдущих методов, основанных на рентгеновской дифракции и имевших значительные погрешности, ученые сфокусировались на моделировании процессов разделения металла и силиката.
В ходе эксперимента образцы железа (аналог материала ядра) и гидратированного силикатного стекла (имитирующего древний магматический океан) подвергались давлению до 111 гигапаскалей и нагреву до 6000 градусов Цельсия. Это позволило смоделировать плавление, схожее с процессами, происходившими при формировании планеты. Для анализа полученных результатов применялась атомно-зондовая томография (APT), которая дала возможность создать трехмерную карту состава образцов с нанометровым разрешением. Особое внимание ученые уделили наноструктурам, богатым кремнием, кислородом и водородом (Si-OH), которые образовались в ходе эксперимента.
Анализ показал, что молярное соотношение кремния и водорода в этих структурах близко к 1:1. Экстраполируя эти данные на всю планету, исследователи пришли к выводу, что ядро Земли может содержать от 0,07 до 0,36 процента водорода по массе. В пересчете на объем это соответствует количеству воды, достаточному, чтобы заполнить от 9 до 45 земных океанов. Такой результат укрепляет гипотезу о том, что именно ядро является крупнейшим резервуаром водорода на планете.
Это открытие имеет важное значение для понимания происхождения воды на Земле. Если основные запасы водорода находятся в ядре, это поддерживает теорию его внутреннего происхождения, то есть водород мог накапливаться еще на ранних этапах формирования планеты в ходе аккреции. Это противоречит альтернативной гипотезе о позднем заносе водорода и воды кометами, которые столкнулись с Землей уже после образования ее коры.
«Гипотеза о том, что водород на Земле, включая ядро, был принесен во время формирования планеты, хорошо обоснована, — пояснил ведущий автор исследования Дунъян Хуан из Пекинского университета. — Разногласия в научном сообществе вызывает вопрос о том, на каком именно этапе это произошло».
Авторы работы признают наличие определенных ограничений в своем исследовании. Например, остаточный водород в камере томографа мог повлиять на точность измерений, а также сохраняется неопределенность относительно точного содержания кремния в ядре. Тем не менее, полученные данные открывают новые перспективы для изучения глубинной геохимии и истории формирования нашей планеты.