Океаны водорода в ядре Земли: так был захвачен самый распространенный элемент во Вселенной

МАДРИД. На поверхности Земли очень мало водорода. В атмосфере его следы едва заметны, он намного легче воздуха, и даже гравитация планеты не может удержать его. Водород содержится в морях в виде воды в соотношении две части водорода на одну часть кислорода. Другим крупным источником являются углеводороды, образовавшиеся миллионы лет назад. Но даже вместе они не могут объяснить парадокс, заключающийся в том, что, будучи самым распространенным элементом во Вселенной, он так редко встречается на планете. Его возможное наличие внутри земного шара могло бы решить эту загадку. Теперь в работе, опубликованной в Nature Geoscience, было количественно оценено присутствие самого легкого элемента периодической таблицы в ядре Земли. Если их расчеты верны, то его количество в десятки раз превышает количество, содержащееся во всех океанах Земли. На основе анализа метеоритов, которые, как предполагается, являются основными компонентами каменистых планет, мы примерно знаем состав Земли, то есть силикат плюс металлическое железо», — объясняет Донгян Хуан, профессор Школы наук о Земле и космосе Пекинского университета и первый автор этого исследования. Благодаря вращению и инерции планеты известно распределение ее массы, «с ядром в центре и слоями силикатов снаружи», добавляет исследователь. Эти силикаты, состоящие в основном из кремния и кислорода, составляют до 95% земной коры. Но ядро Земли легче, чем должно быть сплав железа и никеля, из которого оно состоит, «поэтому оно должно содержать некоторые легкие элементы, такие как углерод, кислород или водород», поясняет Хуан. Водород является хорошим кандидатом, поскольку он является самым распространенным элементом во Вселенной, и было бы странно не найти его здесь. «Таким образом, вероятно, что водород находится в ядре; вопрос в том, в каком количестве», — добавляет китайский ученый. «Чтобы количественно оценить наличие водорода, исследователи из Пекинского университета и Федеральной политехнической школы Цюриха воссоздали условия, которые должны быть в ядре Земли. Благодаря другим работам, основанным на изучении метеоритов, сейсмических, геологических и космических исследованиях, известно о существовании твердой железной сферы в самой глубине, окруженной внешним ядром, также металлическим, но в жидком состоянии. Именно здесь и находится недостающий водород. Внутри планеты давление в три миллиона раз выше, чем на поверхности, а температура достигает 5500 градусов. Итак, они воспроизвели эти условия в лаборатории. «Чтобы воспроизвести эти экстремальные условия давления и температуры, они взяли крошечный образец железа, заключенный в силикатное стекло, и нагрели его с помощью лазера до температуры около 5100 градусов по Кельвину, что близко к температуре внутри планеты. В то же время на нее было оказано огромное давление, равное 111 гигапаскалям, что эквивалентно весу более миллиона тонн на квадратный сантиметр. Исследования в области высоких давлений в первой половине прошлого века привели к созданию системы, позволяющей достигать давлений в гигапаскалях. Поскольку давление является функцией силы (тонн) на единицу площади, ключом к успеху было сведение площади к минимуму, чтобы увеличить прилагаемую силу. Результатом стали так называемые наковальные ячейки, в которых два конца одного и того же материала соприкасаются, а между ними находится объект, подвергаемый давлению. В настоящее время наковальни изготавливаются из алмаза, самого твердого материала, существующего в природе. «Лазер, сфокусированный на образце, генерирует высокую температуру, которая воздействует на концы двух противоположных алмазных наковален, которые сжимаются, создавая высокое давление», — объясняет Хуан. Микроскопическая копия, представляющая собой часть железного листа толщиной 10 микрон, такого макроскопического объекта, как ядро Земли, вносит неопределенность. «Поскольку давление равно силе, действующей на единицу площади поверхности, цена, которую приходится платить за такое высокое давление, — это чрезвычайно маленький образец, что делает количественную оценку водорода на несколько порядков сложнее, чем в случае с обычным образцом», — добавляет ученый. «Поэтому, чтобы узнать, сколько было водорода, им пришлось прибегнуть к методу подсчета, который позволяет обнаружить бесконечно малые количества любого элемента. Она называется атомной зондовой томографией (APT) и является единственной, способной обеспечить полное картирование в нанометровом масштабе. Благодаря этой усовершенствованной технике визуализации они увидели, как водород попадает в ядро из расплавленного силиката, то есть из окружающего его магмы. В конечном итоге, если воспроизведение условий, существующих в ядре Земли, верно, «ядро Земли содержит от 0,07% до 0,36% по весу водорода, что эквивалентно от 9 до 45 океанов воды», заключает Хуан. По словам Хосе Альберто Падрона из Андалузского института наук о Земле IACT-CSIS, «на сегодняшний день неизвестно, какое количество воды находится внутри и снаружи каменистых планет, а также как они взаимодействуют». «И что еще более интересно, — добавляет он, — если эта связь между глубокими и поверхностными резервуарами определяет столь разную эволюцию нашей планеты Земля с океанами и тектоникой плит и других планет, таких как Марс, на которых сейчас нет ни воды, ни тектоники». Чтобы развеять эти сомнения, по словам Падрона, в первую очередь необходимо «узнать объем воды и растворенного водорода внутри планеты, что очень сложно, поскольку у нас нет прямого доступа», — добавляет он. И он заканчивает словами, которые соответствуют оценкам группы Хуанга: «По оценкам, между ядром и мантией Земли может храниться объем, эквивалентный нескольким десяткам современных океанов». «© Всемирные права на публикацию на всех языках принадлежат Ediciones EL PAÍS, S.L.U.».