Фото: commons.wikimedia/ Dargaud/Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0
тестовый баннер под заглавное изображение
И девять водородных “океанов” — это нижняя граница их расчетов; в ядре может быть сосредоточено до 45 океанов водорода. Другими словами, водород может составлять примерно от 0,36% до 0,7% от общей массы ядра Земли, сообщили ученые в журнале Nature Communications. Это говорит о том, что Земля приобрела большую часть своей воды — основного источника водорода на планете — в процессе ее формирования, а не позже в результате столкновений с кометами, которые оставили бы воду на поверхности планеты, как предполагали некоторые ученые, сказал ведущий автор исследования Хуан Донгьян, доцент Школы Земли и космических наук в Пекинском университете.
“Ядро Земли хранило бы большую часть воды в течение первого миллиона лет истории Земли”, — поясняет Хуан CNN. Следующими по обилию воды являются мантия и земная кора. “Поверхность, где обитает жизнь, содержит меньше всего воды”, — сказал он.
Более 4,6 миллиарда лет назад горные породы, газ и пыль вокруг нашего Солнца столкнулись, образовав молодую планету. Со временем эти столкновения сформировали ядро, мантию и кору Земли. В глубоких недрах Земли под огромным давлением начало бурлить плотное, горячее и текучее металлическое ядро. Состоящее в основном из железа и никеля, оно питает защитное магнитное поле Земли.
“Водород может попасть в металлическую жидкость, образующую ядро, только в том случае, если он был доступен во время основных фаз роста Земли и участвовал в формировании ядра”, — отмечает не принимавший участия в новом исследовании Раждип Дасгупта, профессор наук о земных системах на факультете наук о Земле, окружающей среде и планетах Университета Райса в Техасе.
Изучение происхождения и распределения водорода считается ключом к пониманию формирования планет и эволюции жизни на Земле, подчеркивает CNN. Ученые давно задавались вопросом, сколько водорода может содержаться в расплавленном металлическом двигателе Земли, и проанализировали химические взаимодействия в железе, чтобы попытаться оценить запасы водорода в металлическом ядре. Но ядро находится слишком глубоко для непосредственного наблюдения, а условия его высокого давления сложно воспроизвести в лаборатории.
В целом водород трудно поддается количественному определению, “потому что это самый легкий и мельчайший элемент, а это означает, что его количественное определение выходит за рамки возможностей обычных аналитических методов”, — объясняет Хуан.
Низкая плотность в ядре ранее указывала на обилие водорода, хотя ученым было сложно определить его количество по сравнению с другими известными элементами ядра, которые было несколько легче измерить, такими как кремний и кислород. Предыдущие исследования позволили определить количество водорода в ядре с помощью дифракции рентгеновских лучей, чтобы изучить структуру решетки в кристаллах железа, которая расширяется сильнее при наличии водорода. Но эти интерпретации сильно варьировались, варьируясь от 10 частей на миллион по весу до 10 000 частей на миллион (или от 0,1 до более чем 120 океанов), согласно исследованию.
“Эта методика принципиально отличается от более ранних методов”, — утверждает Хуан. Исследователи заостряют образцы в форме игл диаметром около 20 нанометров, а затем помещают их под точно контролируемое высокое напряжение. Затем атомы образцов ионизируются и подсчитываются по одному за раз, пояснил он.
Чтобы получить новую оценку, ученые провели эксперименты, воспроизводящие температуру и давление в активной зоне, используя железо в качестве заменителя жидкометаллической сердцевины. Они расплавили железо с помощью лазеров в устройстве высокого давления, называемом алмазной наковальней, а затем непосредственно наблюдали за водородом и другими основными элементами с помощью атомно-зондовой томографии, которая позволяет получать 3D-изображения и измерять химический состав в атомном масштабе.
По словам Хуана, этот подход основан на предположениях о том, как расположены атомы в ядре Земли и как там распределяются кремний, кислород и водород. Их эксперименты показали, как водород взаимодействует с кремнием и кислородом в наноструктурах по мере охлаждения металла, причем соотношение водорода и кремния составляет примерно 1 к 1. Объединив наблюдения за этими соотношениями в образцах с предварительными оценками содержания кремния в ядре, исследователи смогли приблизительно определить количество водорода в ядре.
Взаимодействие, которое они наблюдали между кремнием, кислородом и водородом в наноструктурах железа, дает ключ к пониманию того, как тепло могло выделяться из ядра в мантию, чтобы начать процесс формирования магнитного поля Земли, “который необходим для превращения Земли в пригодное для жизни место”, объясняет Хуан.
Однако ученые предупредили, что потребуется дополнительная работа для подтверждения и уточнения этой оценки, поскольку этот косвенный подход включает в себя неопределенности и не учитывает другие химические взаимодействия, которые могут повлиять на расчеты содержания водорода в активной зоне.
Действительно, количество водорода в ядре может быть намного выше, чем предполагает новая оценка, комментирует Кей Хиросе, профессор научной школы Токийского университета, который изучает состав ядра Земли.
Одна из областей неопределенности заключается в том, сколько водорода в образцах железа улетучилось во время декомпрессии; эта потеря была задокументирована в других исследованиях, но не была включена в новые расчеты. Ранее в своей работе Хиросе подсчитал, что водород составляет от 0,2% до 0,6% массы ядра Земли, “что больше, чем предлагалось в этой новой работе”, сообщил он CNN по электронной почте.
Если измерения и гипотеза авторов подтвердятся, “это позволит предположить, что водород поступал на Землю на протяжении всего периода ее развития”, сказал Дасгупта. Газ из туманностей, а также вода из комет и астероидов, возможно, также были источником водорода на Земле, добавил Хиросе.
Водород является важным элементом для жизни на Земле, “наряду с углеродом, азотом, кислородом, серой и фосфором”, сказал профессор Дасгупта, чье исследование посвящено изучению роли, которую сыграли эти летучие элементы в процессе формирования Земли.
