Ogromne, ale to naprawdę gigantyczne ilości wodoru znajdują się w okolicy jądra Ziemi. Pacyfik przy tym to zaledwie sadzawka.
Przez dekady geofizycy drapali się po głowach, patrząc na wyniki badań sejsmicznych. Coś się fundamentalnie nie zgadzało. Jądro naszej planety było zbyt lekkie jak na kulę z czystego żelaza. Gdzie podziała się masa?
Problem, z którym mierzyli się naukowcy, nosi fachową nazwę deficytu gęstości (ang. density deficit). Pomiary fal sejsmicznych przechodzących przez środek naszej planety od dawna wskazywały, iż jądro Ziemi nie jest tak gęste, jak wynikałoby to z prostego modelu fizycznego żelaznej kuli. Musiało się tam znajdować coś jeszcze, jakiś lżejszy pierwiastek, który rozrzedza gęstą strukturę metalu. Kandydatów było wielu, ale dowodów brakowało. Aż do teraz.
Na łamach prestiżowego Nature Communications ukazały się wyniki badań, które dostarczają jednych z najlepszych dotychczas dowodów eksperymentalnych. Zespół naukowców pod kierownictwem Dongyanga Huanga z Uniwersytetu Pekińskiego twierdzi, iż brakującym elementem układanki są niewyobrażalne ilości wodoru.
To odkrycie nie tylko tłumaczy lżejsze jądro, ale rzuca zupełnie nowe światło na zagadkę, która nurtuje nas od zawsze: skąd na Ziemi wzięła się woda, dzięki której istniejemy?
Piekło w laboratorium. Tak symulowano narodziny planety
Wodór od dawna był głównym podejrzanym na liście lekkich pierwiastków w jądrze, ale potwierdzenie tej hipotezy graniczyło z cudem. Jak bowiem zbadać coś, co znajduje się tysiące kilometrów pod naszymi stopami, w warunkach, które niszczą każdą znaną nam technologię?
Problem z wodorem polega też na tym, iż jest najlżejszym i najmniejszym pierwiastkiem we wszechświecie. Jego zważenie w warunkach ekstremalnego ciśnienia i temperatury, jakie panują w jądrze (którego nie możemy bezpośrednio zbadać), to koszmar analityczny. Zamiast wiercić (co jest niemożliwe), naukowcy postanowili odtworzyć te warunki w laboratorium.
Badacze przeprowadzili serię ekstremalnych eksperymentów, symulując środowisko panujące w jądrze podczas formowania się Ziemi miliardy lat temu. Użyli laserów, aby podgrzać żelazo do stanu całkowitego stopienia, imitując pradawny ocean magmy. Temperatury sięgały tam niewyobrażalnych 4800 stopni Celsjusza, a ciśnienie było ponad milion razy wyższe niż to, którego doświadczamy na powierzchni. W tym technologicznym piekle zespół szukał śladów wodoru w nanostrukturach zbudowanych głównie z krzemu i tlenu.
Więcej na Spider’s Web:
Wyniki eksperymentu okazały się wręcz sensacyjne. Analiza wykazała, iż zawartość wodoru w jądrze Ziemi waha się od 0,07 do 0,36 proc. Brzmi jak błąd statystyczny? Nic bardziej mylnego. W skali całej planety oznacza to, iż w jej wnętrzu uwięzione jest od 9 do choćby 45 razy więcej wodoru, niż znajduje się go we wszystkich oceanach na powierzchni Ziemi razem wziętych.
To właśnie te gigantyczne pokłady wodoru odpowiadają za znaczną część wspomnianego deficytu gęstości. Jądro jest lżejsze, bo jest napęczniałe najlżejszym pierwiastkiem we wszechświecie. Jednak to, co dla geofizyków jest rozwiązaniem problemu gęstości, dla astrobiologów i chemików planetarnych jest początkiem rewolucji w myśleniu o historii wody.
Komety mogą odejść do lamusa
Najbardziej fascynującym aspektem tych badań są ich implikacje dla pochodzenia życiodajnej wody. Do tej pory w podręcznikach często dominowała teoria, iż Ziemia urodziła się sucha, a wodę dowieźli nam kosmiczni kurierzy – komety i planetoidy bombardujące młodą planetę ponad cztery miliardy lat temu. Nowe badania sugerują jednak zupełnie inny scenariusz.
Szacunki przedstawione przez zespół z Uniwersytetu Pekińskiego wspierają teorię, iż woda (a konkretnie jej składniki, w tym wodór) pochodzi z pierwotnego budulca Ziemi. Jak zauważają badacze, chociaż oceany pokrywają 71 proc. powierzchni Ziemi, większość ziemskiego wodoru mogła zostać zmagazynowana w jądrze już 4,5 mld lat temu. To by oznaczało, iż nie potrzebowaliśmy komet. Mieliśmy wszystko, co niezbędne, niemal od samego początku.
Autorzy badania zachowują jednak naukową trzeźwość umysłu. Choć ich odkrycie jest przełomowe, zaznaczają, iż sam wodór to za mało, by w pełni wyjaśnić deficyt gęstości. Jądro Ziemi wciąż jest nieco lżejsze, niż wynikałoby to z modelu z samym wodorem. Sugerują, iż w grę musi wchodzić mieszanka lekkich pierwiastków, być może tlenu, siarki, węgla, a choćby samej wody w innej postaci.
