Когда и как водород попал на Землю? Крупнейший на планете резервуар — прямо у нас под носом

Согласно новому исследованию, ядро ​​Земли содержит до 45 раз больше водорода, чем океаны, что делает его крупнейшим резервуаром водорода на планете. Ученые обнаружили, что такое огромное количество водорода попало в ядро ​​Земли во время его формирования около 4,5 миллиардов лет назад и не было доставлено туда кометами, которые столкнулись с Землей после того, как ядро ​​сформировалось. Это открытие может положить конец спорам о том, когда и как водород был доставлен на нашу планету.

Гипотеза о том, что водород на Землю был доставлен во время формирования планеты, является общепризнанной. Основным предметом споров ученых является вопрос, когда именно водород попал на нашу планету.

Эти дебаты продолжаются, потому что водород в недрах Земли чрезвычайно трудно количественно выявить. Это самый маленький и легкий элемент во Вселенной, поэтому большинство существующих методов не обладают достаточной разрешающей способностью для его обнаружения в условиях высокого давления и высокой температуры. Например, именно такие условия в ядре ​​Земли.

Однако оценка количества водорода, заключенного внутри ядра, является ключом к пониманию того, как водород вообще туда попал.

В предыдущих исследованиях для оценки количества водорода в ядре Земли использовался метод рентгеновской дифракции. Этот метод позволяет количественно определить минералы и другие вещества в материале — ученые анализируют, как этот материал рассеивает рентгеновские лучи. Поскольку ядро ​​Земли почти полностью состоит из железа, исследователи добавили водород к образцу железа в лаборатории и измерили расширение кристаллической структуры железа, чтобы рассчитать, сколько водорода может быть заключено внутри ядра.

Но недостаток метода заключается в том, что, во-первых, он предполагает, что исследователи имеют точное представление о кристаллической структуре железа и о том, как она реагирует в определенных условиях. Во-вторых, он также предполагает, что кремний и кислород, присутствующие в ядре, не деформируют кристаллическую структуру при растворении в железе — что, как оказалось, на самом деле происходит.

В новом исследовании ученые использовали альтернативный метод, известный как атомно-зондовая томография. Эта техника позволяет получить трехмерное наноразмерное картирование состава всех элементов периодической таблицы и идеально подходит для образцов, находящихся под высоким давлением.

Исследователи смоделировали условия, которые, вероятно, существовали во время формирования ядра Земли. Для начала они покрыли крошечный образец железа гидратированным силикатным стеклом, чтобы имитировать ядро, покрытое магмой. Затем они поместили этот объект внутрь алмазной наковальни — устройства, в котором два алмазных кристалла сжимаются вместе, создавая экстремальное давление, подобное тому, которое существует в ядре Земли. Для создания высокотемпературных условий ученые использовали лазеры, которые нагревали объект примерно до 4830 градусов.

При использовании использовали атомно-зондовую томографии ученые обнаружили, что водород, кислород и кремний одновременно растворяются в кристаллических структурах железа в экстремальных условиях, изменяя таким образом кристаллы ранее неизвестным образом.

Что особенно важно, в ходе эксперимента в «ядро» из «магмы» поступило равное количество водорода и кремния, что помогло выяснить: водород составляет от 0,07% до 0,36% массы ядра Земли.

Результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, показывают, что ядро ​​Земли содержит в 9–45 раз больше водорода, чем океаны планеты. Если бы кометы доставили водород на Землю после завершения формирования ядра, водород в основном находился бы в более мелких слоях Земли. Но тот факт, что ядро ​​является крупнейшим резервуаром водорода на Земле, указывает на то, что водород был доставлен до того, как ядро ​​полностью сформировалось.