В ядре Земли может быть в 70 раз больше водорода, чем в океанах

Для создания имитации ядра молодой Земли японские ученые провели эксперименты при высоких температурах и высоком давлении с использованием алмазной наковальни и химических веществ. Опыты впервые продемонстрировали, что водород может вступать в прочную связь с железом в экстремальных условиях. Это объясняет присутствие в ядре Земли значительных количеств водорода, который попал туда в виде воды в результате падений метеоритов миллиарды лет назад.

Учитывая экстремальную глубину, температуру и давление, исследователи физически не могут проникнуть вглубь Земли напрямую. Поэтому для того, чтобы заглянуть внутрь, исследователи используют сейсмические методы, позволяющие определить состав и плотность подземных материалов. За все время проведения подобных измерений выяснилось, что ядро состоит в основном из железа, но его плотность, в частности плотность жидкой части, ниже, чем ожидалось.

Это навело ученых на мысль, что наряду с железом должно существовать изобилие легких элементов. Наиболее распространенными во Вселенной являются водород и гелий.

Исследователи впервые изучили поведение воды в лабораторных экспериментах с металлическим железом и силикатными соединениями, которые точно имитируют реакции металл-силикат (ядро-мантия) во время формирования Земли. Они обнаружили, что когда вода встречается с железом, большая часть водорода растворяется в металле, в то время как кислород реагирует с железом и переходит в силикатные материалы.



«При температурах и давлениях, к которым мы привыкли на поверхности, водород не соединяется с железом, но нам было интересно, возможно ли это в более экстремальных условиях, – говорит аспирант кафедры наук о Земле и планетах Токийского университета во время исследования Шох Тагава. – Такие экстремальные температуры и давления нелегко воспроизвести, и лучшим способом получить их в лаборатории было использование наковальни из алмаза. Это позволяет создать давление в 30-60 гигапаскалей при температуре 3 100-4 600 градусов Кельвина. Это правдоподобная модель формирования ядра Земли».

Команда под руководством профессора Кеи Хиросе использовала металл и водосодержащий силикат, аналогичные тем, которые содержатся в ядре и мантии Земли соответственно. Их сжимали в алмазной наковальне, одновременно нагревая лазером. Чтобы увидеть, что происходит в образце, они использовали визуализацию с высоким разрешением с применением техники, называемой масс-спектроскопией вторичных ионов. Это позволило ученым подтвердить гипотезу о том, что водород соединяется с железом. Этот фактор объясняет отсутствие воды в океане.

«Это открытие позволяет нам исследовать то, что потенциально может иметь очень большое влияние на нашу жизнь, – отмечает Хиросе. – То, что водород соединяется с железом при высоком давлении, говорит нам, что большая часть воды попала на Землю в результате массового падения метеоритов во время формирования планеты. Это значит, что водород может находиться в ядре Земли и сегодня. По нашим оценкам, там может быть заперто до 70 океанов водорода. Если бы он оставался на поверхности в виде воды, Земля, возможно, никогда не знала бы суши, и жизнь, как мы ее знаем, никогда бы не развилась».

Фото: pixabay.com