Внутри Земли спрятан океан, о котором никто не знал: ядро планеты оказалось гигантской бомбой

В глубинах Земли может скрываться крупнейший запас водорода на планете — и он в десятки раз превышает объём этого элемента в океанах. Новое исследование показало, что водород попал в ядро ещё на ранних этапах формирования Земли, а не был принесён кометами позже. Эти выводы помогают прояснить давний спор о происхождении летучих веществ на нашей планете. Об этом сообщает Nature Communications.

Водород из эпохи рождения планеты

Учёные давно предполагают, что водород присутствовал в Земле с момента её формирования около 4,5 миллиарда лет назад. Однако оставался открытым вопрос: на каком этапе он оказался в недрах — до образования ядра или уже после, в результате столкновений с кометами.

"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.

Определить это непросто: водород — самый лёгкий элемент, и зафиксировать его в условиях колоссального давления и температуры крайне сложно, как и многие глубинные процессы в недрах Земли, которые удаётся изучать лишь косвенными методами.

Новый метод вместо прежних допущений

Ранее для оценки содержания водорода в ядре использовали рентгеновскую дифракцию. Учёные анализировали, как добавление водорода влияет на кристаллическую структуру железа — основного компонента ядра. Однако этот метод строился на ряде допущений, включая неизменность структуры железа при растворении в нём кислорода и кремния.

Команда Хуанга применила более точную технологию — атомно-зондовую томографию. Она позволяет получить трёхмерную карту распределения элементов на наноуровне и подходит для анализа образцов, подвергшихся экстремальному давлению.

Чтобы смоделировать условия ранней Земли, исследователи покрыли микроскопический образец железа гидратированным силикатным стеклом, имитируя контакт ядра с магматической оболочкой. Затем образец поместили в алмазную наковальню и нагрели лазерами до температуры около 4830 °C.

Как водород проник в ядро

Эксперимент показал, что при таких условиях водород, кремний и кислород одновременно растворяются в железе, изменяя его кристаллическую структуру. Причём водород проникал в "ядро" вместе с кремнием в сопоставимых количествах.

По расчётам учёных, доля водорода в ядре составляет от 0,07% до 0,36% его массы. На первый взгляд это немного, однако в пересчёте на общий объём ядра получается колоссальный резервуар — в 9-45 раз больше, чем весь водород в земных океанах.

Аргумент против кометной версии

Если бы водород был принесён кометами уже после формирования ядра, он в основном остался бы в верхних слоях планеты. Однако результаты показывают, что крупнейшее его хранилище находится именно в центре Земли. Это свидетельствует о том, что водород был захвачен ещё на стадии активной аккреции вещества и проник в формирующееся ядро вместе с расплавленной материей.

"Это первый случай, когда был установлен механизм проникновения водорода в ядро", — отметил Хуанг.

Полученные данные помогают лучше понять раннюю эволюцию Земли и процессы, определившие её химический состав. Кроме того, уточнение роли водорода в формировании ядра важно для моделей внутренней динамики планеты и её магнитного поля, изменения которого уже фиксируются, например, в данных о смещении магнитного северного полюса. Исследование показывает, что ключевые элементы будущей обитаемой среды были встроены в Землю ещё на этапе её рождения.