Zespół naukowców z Uniwersytetu Pekińskiego oszacował, że jądro Ziemi mogłoby pomieścić od 1,35 do 6,75 tryliarda kilogramów tego pierwiastka. To oznacza, że w samym środku planety może być nawet 45 razy więcej wodoru niż we wszystkich oceanach, morzach i jeziorach razem wziętych. Gdyby te obliczenia się potwierdziły, nasze rozumienie historii Ziemi i jej zasobów wodnych wymagałoby gruntownej rewizji. Dotychczas uważaliśmy oceany za główne rezerwuary wodoru, ale okazuje się, że mogą one stanowić zaledwie ułamek całości, bo zaledwie od 0,07 do 0,36 procent masy jądra. Badanie opublikowane w Nature Communications stawia znak zapytania przy dotychczasowych teoriach o pochodzeniu wody na naszej planecie.
Ekstremalne eksperymenty w laboratorium
Ponieważ bezpośrednie badanie jądra jest niemożliwe – dzieli nas od niego prawie 3000 kilometrów skał i stopionej materii – naukowcy musieli odtworzyć jego warunki w laboratorium. Zespół pod kierunkiem Dongyanga Huanga wykorzystał do tego komórkę diamentową, urządzenie zdolne osiągnąć niewyobrażalne ciśnienia i temperatury. W eksperymencie maleńką kulkę żelaza, umieszczoną w uwodnionym szkle krzemianowym, poddano działaniu ciśnienia 111 gigapaskali i temperatury około 5100 kelwinów. To wartości zbliżone do tych panujących na granicy jądra wewnętrznego i zewnętrznego, gdzie ciśnienie sięga 136 gigapaskali, a temperatura 5000-6000 kelwinów.
Wyniki okazały się niezwykle ciekawe. Wodór z łatwością rozpuszczał się w żelazie, a następnie wchodził w reakcje z tlenem i krzemem obecnymi w otoczeniu. To silna przesłanka, że podobny proces mógł zachodzić przed miliardami lat, podczas formowania się planety. Wcześniejsze analizy wskazywały, że od 2 do 10 procent jądra stanowi krzem. Teraz pojawia się kolejny kluczowy gracz – wodór, który mógł odgrywać znaczącą rolę w kształtowaniu się składu samego serca Ziemi.
Co w tym najważniejsze? Nie sama liczba, lecz mechanizm. Jeśli wodór rzeczywiście dobrze lubi żelazo w takich warunkach, to staje się realnym kandydatem do listy lekkich pierwiastków tłumaczących, dlaczego jądro jest mniej gęste, niż wynikałoby z czystego żelaza. A to – z perspektywy geofizyki, jest jedną z najdłużej dyskutowanych zagadek wnętrza Ziemi.
Nowa teoria pochodzenia wody
To odkrycie ma fundamentalne znaczenie dla naszej opowieści o początkach Ziemi. Obecność tak dużych ilości wodoru w jądrze sugeruje, że woda na Ziemi pojawiła się już podczas głównych etapów akrecji planety, czyli w procesie narastania materii z dysku protoplanetarnego. To stoi w kontraście do popularnej przez lata hipotezy, według której woda, a właściwie jej składniki, dotarły na młodą Ziemię znacznie później, za sprawą komet lub asteroid. To intrygująca hipoteza, choć na pewno nie ostatnie słowo w tej sprawie. Potrzeba będzie wielu kolejnych badań, aby ją zweryfikować.
Skład jądra ma nie tylko znaczenie historyczne. Wpływa również na generowanie pola magnetycznego Ziemi, które stanowi naszą niewidzialną tarczę przed szkodliwym promieniowaniem kosmicznym. Dokładniejsze oszacowanie ilości wodoru pomaga naukowcom tworzyć lepsze modele procesów geofizycznych, które tętnią życie głęboko pod powierzchnią.
Implikacje tego odkrycia sięgają daleko poza nasz układ słoneczny. Jeśli mechanizm uwięzienia wodoru w jądrze jest powszechny we wszechświecie, to nawet planety, które z pozoru wydają się suche, mogą skrywać ogromne zasoby tego pierwiastka głęboko pod powierzchnią. To otwiera nowe możliwości w poszukiwaniu śladów życia poza Ziemią, sugerując, że warunki do jego powstania mogą istnieć tam, gdzie na pierwszy rzut oka ich nie widać.
Badania zespołu z Pekinu są kolejnym przypomnieniem, jak mało wciąż wiemy o naszej własnej planecie. Wodór, który znamy z powierzchni, może być tylko wierzchołkiem góry lodowej – większość ukryta jest tam, gdzie nigdy nie dotrzemy. Nauka po raz kolejny udowadnia, że największe tajemnice często skrywają się w najbardziej niedostępnych miejscach.
Jednocześnie to temat, w którym diabeł tkwi w szczegółach: w tym, jak wodór zachowuje się w stopach żelaza, jak stabilne są takie układy w długiej skali czasu, i jak te wyniki przekładają się na realne warunki całego jądra, a nie tylko mikroskopijnej próbki w laboratorium. Jeśli kolejne zespoły potwierdzą te wnioski niezależnie – będziemy coraz bliżej odpowiedzi na pytanie, czy Ziemia dostała wodę z kosmosu, czy też znaczną część swojego wodorowego kapitału miała od początku, tylko schowaną głęboko w sercu planety.