W jądrze Ziemi może kryć się wodór na 45 oceanów

Nowe badania sugerują, że w najgłębszym wnętrzu Ziemi może być uwięziony ogromny zapas wodoru, który zmienia nasze spojrzenie na wodę na naszej planecie.

Naukowcy po raz pierwszy z taką precyzją zasymulowali w laboratorium warunki panujące w jądrze Ziemi. Wynik zaskoczył nawet geofizyków: w żelaznym jądrze planety może znajdować się tyle wodoru, że wystarczyłoby go do „zbudowania” od 9 do nawet 45 oceanów podobnych do ziemskich.

Woda mogła być na Ziemi od samego początku

Przez lata popularna była wizja młodej, rozżarzonej Ziemi, na którą po milionach lat zaczęły spadać komety bogate w lód. To one miały przynieść wodę, z której powstały oceany. Coraz więcej danych podważa tę opowieść, a najnowsze eksperymenty z wodorem w jądrze planety stają się jednym z najmocniejszych argumentów przeciwko „późnemu bombardowaniu”.

Naukowcy pokazują, że spory zapas wodoru znajduje się nie w zewnętrznych warstwach płaszcza czy skorupy, ale głęboko przy żelaznym jądrze, w ekstremalnych ciśnieniach i temperaturach. Taki rozkład pierwiastków bardziej pasuje do scenariusza, w którym Ziemia przechwyciła większość swojej wody już w czasie formowania się z pierwotnej chmury pyłu i gazu.

W jądrze Ziemi może być uwięzione od 0,07 do 0,36% masy wodoru – tyle wystarczyłoby do powstania 9–45 oceanów.

Jak poznaliśmy wnętrze planety, której nie da się przekopać

Bezpośrednio do jądra Ziemi nie dotarł nikt i nic – najgłębsze odwierty sięgają zaledwie kilkunastu kilometrów, czyli symbolicznej rysy na 6,4‑tysięcznokilometrowym promieniu planety. Wiedza o wnętrzu pochodzi więc z metod pośrednich, głównie z analizy fal sejsmicznych towarzyszących trzęsieniom ziemi.

Już na początku XX wieku rozwój sejsmologii pozwolił „prześwietlać” Ziemię podobnie jak ciało promieniami rentgenowskimi. W 1936 roku duńska sejsmolożka Inge Lehmann wykazała, że wewnętrzne jądro jest stałe, a otacza je warstwa płynnego metalu. Późniejsze obliczenia gęstości i porównania z meteorytami metalicznymi doprowadziły do wniosku, że jądro tworzy głównie żelazo i nikiel.

Z czasem okazało się jednak, że sama mieszanka żelaza z niklem jest zbyt ciężka w stosunku do tego, co wskazują dane sejsmiczne. Coś ją rozrzedza. Od lat 60. podejrzewa się, że muszą tam być domieszki lżejszych pierwiastków, tylko nie było jasne jakich i w jakich ilościach.

Nie tylko żelazo: ukryta „sałatka” pierwiastków w jądrze

Rozwój technik eksperymentalnych w XXI wieku pozwolił lepiej przyjrzeć się składowi jądra. Badania wskazują, że oprócz żelaza i niklu znajdują się tam m.in. siarka, krzem, tlen, węgiel oraz wodór. Problem w tym, że ich ilości są bardzo małe, więc trudno je dokładnie oszacować.

Wodór sprawia szczególne kłopoty. To najlżejszy i najmniejszy atom, który łatwo „chowa się” w strukturze krystalicznej metali. Każda niepewność w danych sejsmicznych czy eksperymentalnych bardzo szybko przekłada się na duży rozrzut możliwych wartości jego zawartości.

Laboratorium jak miniaturowe jądro planety

Aby uzyskać lepsze liczby, zespół geofizyków przygotował mieszankę odpowiadającą przypuszczalnemu składowi młodej Ziemi. W eksperymencie użyto:

• próbki żelaza podobnej do tego, z którego zbudowane jest jądro,
• szkła krzemianowego z wodą, reprezentującego dawny ocean magmy płaszcza.

Całość umieszczono w tzw. komórkach diamentowych. Dwa diamentowe „kowadła” ściskały próbkę, a lasery podgrzewały ją do kilku tysięcy stopni. Uzyskano w ten sposób warunki zbliżone do panujących w jądrze Ziemi: ciśnienie rzędu 111 gigapaskali i temperaturę około 4800°C.

Badacze odtworzyli w mikroskali warunki, których nie da się osiągnąć żadnym odwiertem: setki tysięcy razy większe ciśnienie niż na powierzchni i temperaturę gorętszą niż na powierzchni Słońca.

Tomografia atomowa: mapa pierwiastków w skali nano

Po „ugotowaniu” próbki w ekstremalnych warunkach przyszedł czas na analizę. Zastosowano zaawansowaną metodę zwaną tomografią z sondą atomową. Polega ona na stopniowym „odparowywaniu” atomów z powierzchni próbki i rejestrowaniu, skąd dokładnie pochodzą.

Dzięki temu badacze zrekonstruowali trójwymiarową mapę składu chemicznego w skali nanometrów. Udało się policzyć, ile w próbce znajduje się krzemu, tlenu i wodoru, a następnie odnieść te wyniki do warunków panujących we wnętrzu planety.

Skąd wzięła się woda na Ziemi – nowe spojrzenie

Autorzy badań opublikowanych w czasopiśmie naukowym Nature Communications wskazują, że tak duża ilość wodoru w jądrze lepiej pasuje do scenariusza „wrodzonej” wody. W tym wariancie Ziemia gromadziła wodór i tlen już na etapie budowania się z pierwotnych okruchów materii. Część tych pierwiastków trafiła do płaszcza i atmosfery, a część rozpuściła się w roztopionym żelazie jądra.

Gdyby główne zasoby wody dotarły dopiero w późniejszym okresie jako lód z komet lub mokrych asteroid, wodór powinien występować przede wszystkim w zewnętrznych warstwach planety. Tymczasem wyniki wskazują na znaczący udział wodoru w najgłębszych partiach wnętrza.

Rozkład wodoru we wnętrzu Ziemi sugeruje, że nasza planeta urodziła się raczej „mokrym” ciałem, niż wypaloną kulą, którą dopiero później zraszał deszcz komet.

Niepewności i kolejne testy

Sami badacze przyznają, że eksperyment nie jest idealny. Każde laboratorium musi upraszczać warunki w porównaniu z tym, co dzieje się 3 tysiące kilometrów pod naszymi stopami. Możliwe są błędy związane ze składem początkowej próbki czy samą techniką pomiarową.

Dlatego inne zespoły już planują własne eksperymenty przy użyciu podobnych komórek diamentowych i alternatywnych metod analizy. Dopiero zbieżne wyniki z kilku laboratoriów pozwolą zawęzić widełki zawartości wodoru i lepiej określić, ile wody faktycznie da się „wycisnąć” z jądra w przeliczeniu na oceany.

Dlaczego wodór w jądrze jest tak istotny dla nas na powierzchni

Wodór w jądrze to nie tylko ciekawostka o odległych głębinach. Ten pierwiastek wpływa na gęstość i płynność ciekłego żelaza w zewnętrznej części jądra. A to z kolei decyduje o przepływach metalu, które generują ziemskie pole magnetyczne.

Silne pole magnetyczne chroni atmosferę i powierzchnię przed naładowanymi cząstkami ze Słońca. Bez tej niewidzialnej „tarczy” erozja gazów otaczających planetę przebiegałaby znacznie szybciej, a warunki do życia wyglądałyby zupełnie inaczej. W tym sensie skład jądra, w tym ilość wodoru, pośrednio wpływa na to, że na Ziemi w ogóle mogą istnieć oceany i biosfera.

Warto też zwrócić uwagę na porównanie z innymi planetami skalistymi. Mars ma dziś słabe pole magnetyczne i cienką atmosferę, a jego dawne morza praktycznie zniknęły. Jeśli modele składu jego jądra różnią się wyraźnie od ziemskich, część odpowiedzi na pytanie, dlaczego jedne planety zatrzymują wodę, a inne ją tracą, może kryć się właśnie w głębokim wnętrzu.

Jak wyobrazić sobie 45 oceanów w jądrze Ziemi

Liczby rzędu kilkudziesięciu oceanów brzmią abstrakcyjnie. Chodzi o ilość wodoru, która po związaniu z tlenem dałaby wodę odpowiadającą 9–45 oceanom o podobnej objętości co ocean światowy. To nie znaczy, że gdzieś głęboko pływa płynna woda. Wodór jest tam „uwięziony” w strukturze metalu i minerałów, w formie atomów, nie kropli.

Taki magazyn ma znaczenie dla długoterminowego obiegu wody. Zimą i latem patrzymy na krążenie wody między atmosferą, oceanami i lądami. W skali geologicznej ten cykl wygląda inaczej: część wody wędruje w głąb z płytami tektonicznymi, część wraca z powrotem przez wulkany, a ogromne ilości pozostają na stałe w głębokich warstwach płaszcza i jądra. Dzisiejsze badania tylko lekko uchylają drzwi do tego ukrytego rezerwuaru.

W kolejnych latach geofizycy chcą połączyć takie eksperymenty laboratoryjne z coraz lepszymi modelami sejsmicznymi i symulacjami komputerowymi. Dzięki temu da się lepiej oszacować, jak zmiany składu jądra wpływają na pole magnetyczne, ruchy płaszcza, a w konsekwencji na warunki panujące na powierzchni. W pewnym sensie losy oceanów i klimat na Ziemi pozostają splecione z tym, co dzieje się w rozgrzanym, ciemnym jądrze kilka tysięcy kilometrów pod nami.