Ядро Земли скрывает огромные запасы водорода — в 45 раз больше океанов

С виду наша планета не кажется богатой водородом — самым распространенным элементом Вселенной. Однако новое исследование показывает, что огромные количества этого газа могут быть заперты в земном ядре, связанные с железом.

Согласно расчетам, в ядре может содержаться до 45 раз больше водорода, чем во всех океанах Земли. Это делает его крупнейшим резервуаром водорода на планете. Конечно, добраться до этих запасов невозможно, но их оценка критически важна для понимания истории формирования Земли, генерации ее магнитного поля и происхождения воды.

Чтобы выяснить, сколько водорода могло попасть в ядро, группа геоученых под руководством Дунъяна Хуана из Пекинского университета провела лабораторные эксперименты, максимально приближенные к условиям земных недр. С помощью алмазной наковальни исследователи сжали маленький железный шарик, окруженный гидратированным силикатным стеклом, до давления в 111 гигапаскалей и нагрели до температуры около 5100 кельвинов. Хотя в реальном ядре давление превышает 136 ГПа, а температура достигает 5000–6000 K, полученные условия достаточно близки, чтобы моделировать поведение элементов в этой экстремальной среде.

В заданном температурном диапазоне образец полностью расплавлялся, его компоненты тщательно перемешивались. В этой бурлящей смеси атомы железа, кремния, кислорода и водорода свободно двигались, и система вела себя так, как, по мнению ученых, вело себя расплавленное ядро молодой Земли. Эксперимент показал, что водород легко соединяется с железом, а затем связывается с кислородом и кремнием. Это подтверждает гипотезу, что миллиарды лет назад, во время формирования ядра, водород мог быть захвачен им точно таким же образом.

Известно, что ядро не состоит из чистого железа: анализ сейсмических волн указывает на недостаточную плотность, которая объясняется присутствием других элементов. Предыдущие оценки предполагали, что от 2 до 10 % массы ядра приходится на кремний. Основываясь на этих цифрах и на наблюдаемом в эксперименте связывании водорода с кремнием, команда Хуана рассчитала, что доля водорода в ядре составляет 0,07–0,36 % по массе.

В пересчете на массу это колоссальные величины — от 1,35 до 6,75 секстиллионов килограммов, что в 9–45 раз превышает массу водорода, заключенного во всей воде земных океанов. Ученые давно подозревали, что ядро накапливает водород, но точное количество оставалось предметом споров. Новая работа существенно сужает диапазон неопределенности.

Столь значительный объем водорода в ядре имеет важные последствия для теории происхождения воды на Земле. Полученные данные свидетельствуют, что бóльшая часть воды поступила на планету уже на основных этапах ее аккреции, а не была занесена кометами позднее. Кроме того, если водород и кислород способны мигрировать между ядром и мантией в течение геологического времени, то запасы воды могут быть распределены в недрах гораздо глубже, чем предполагает наличие лишь поверхностных океанов.

Если аналогичные процессы происходили и на других каменистых планетах, многие из них — даже те, что сегодня кажутся безводными — могут хранить значительные объемы воды глубоко под поверхностью. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.