Ядро Землі може ховати до “45 океанів” водню

Результаты нового исследования продемонстрировали, что ядро Земли содержит количество водорода, сравнимое с 45 океанами.

Результаты ставят под сомнение теорию, что большинство воды на нашей планете попало сюда вместе с кометами. Из-за экстремальных условий и удаленности расположения ядра довольно проблематично точно проанализировать его состав. Большинство методов просто не подходят для выявления содержания водорода, поскольку это самый легкий и самый маленький химический элемент.

Предыдущие оценки базировались на таких методах, как определение содержания водорода через расширение кристаллической решетки гидридов железа. Это привело к крайне неопределенным оценкам по содержанию водорода в ядре. В новом исследовании ученые применили ионный подход. Они использовали алмазные наковальни, которые нагревали лазером для имитации условий высокого давления и температуры в ядре Земли, около 111 ГПа и 4 826 °C.

В алмазных наковальнях разместили образцы железа, имитирующие земное ядро, гидратированное силикатное стекло, из которого состояли ранние океаны магмы, чтобы вызвать плавление, близкое к условиям в ядре. Далее исследователи использовали атомно-зондовую томографию (АТТ) для создания трехмерной карты состава с наноразмерным разрешением. Это помогло установить количество кремния, кислорода и водорода в образцах и наноструктуры, обогащенные Si-OH, образовавшиеся в результате закалки.

Ученые установили, что молярное соотношение кремния и водорода в этих структурах составляет почти 1:1. Это позволило примерно оценить процентное содержание водорода в ядре, поскольку количество кремния более или менее хорошо известно. Полученные результаты свидетельствуют, что земное ядро содержит около 0,07-0,36 массовой доли водорода, эквивалентной 9-45 океанам воды.

Среди ключевых выводов исследования, подтверждение того, что большая часть воды на Земле, судя по всему, образовалась на ранних стадиях аккреции в результате взаимодействия водорода с кислородом. Это противоречит теории, что вода на Земле появилась позже и была доставлена кометами. Исследователи объясняют, что в таком случае водород преимущественно содержался бы в более мелких слоях земной коры. Однако наличие водорода внутри ядра свидетельствует, что он попал туда еще до того, как оно полностью сформировалось.

«То, что Земля накопила большую часть своей воды на месте в процессе своего формирования, правдоподобно с точки зрения динамики, поскольку вода была доставлена планетезималами и зародышами планет, и согласуется с моделью поглощения водорода, включающей взаимодействие между первичной атмосферой и магматическим океаном. Это также согласуется с идеей, что Земля могла быть построена в основном из энстатитовых хондритоподобных материалов, которые, кроме изотопного сходства с Землей, содержат достаточное количество водорода, чтобы обеспечить более трех океанов воды и земные изотопные характеристики водорода», — отмечают авторы исследования.

Ученые предупреждают, что их исследование имеет ограничения. Среди прочего, остаточный водород в камере APT мог искусственно завысить измеренное содержание водорода. Также существует некоторая неопределенность относительно содержания кремния в ядре и в предположении о достаточном количестве водорода во время аккреции Земли. Растрескивание образцов также могло привести к ошибкам при сборе данных APT.

Мы писали, что ученые из Океанографического института Вудс-Хоул в Массачусетсе нашли признаки того, что материал вытекает из твердого внутреннего ядра Земли на поверхность. Кроме того внутреннее ядро Земли замедляется — продолжительность суток может измениться.