Na površini planete gotovo ništa nema tragovi slobodnog vodonika Pored svoje uloge kao komponente vode i ugljikovodika, uprkos tome što je najzastupljeniji element u svemiru, ova očigledna kontradikcija intrigira naučnu zajednicu decenijama, uključujući Evropu i Španiju, gdje nekoliko grupa pomno prati napredak u dubokim geoznanostima.
Niz nedavnih radova objavljenih u časopisima kao što su Prirodna geoznanost i prirodne komunikacije Sada ukazuje na moguće rješenje ove zagonetke: unutrašnjost planete mogla bi skrivati količinu vodika daleko veću od one sadržane u svim oceanima, koncentriranoj u Zemljino metalno jezgroDaleko od puke znatiželje, ovo otkriće mijenja način na koji razumijemo porijeklo vode i evoluciju kamenitih planeta.
Jezgro koje je previše lagano i misterija hlapljivih elemenata
Modeli zasnovani na meteoritima i mjerenjima inercije i rotacije pokazuju da je Zemlja u suštini sastavljena od silikati u plaštu i kori, te metalna legura u jezgruMeđutim, izračunata gustoća za jezgro sastavljeno samo od željeza i nikla ne odgovara u potpunosti seizmičkim opažanjima: nešto je niža od očekivane.
Ta neskladnost se godinama tumači kao znak laki elementi rastvoreni u jezgruOvi elementi uključuju ugljik, kisik, silicij i, vrlo vjerojatno, vodik. Problem je oduvijek bio isti: precizno kvantificirati koliko vodika željezo može zadržati pod pritiskom od miliona atmosfera i temperaturama oko 5.000 do 5.500 stepeni Celzijusa.
Prethodne studije, često zasnovane na Difrakcija rendgenskih zrakaPokušali su zaključiti o količini vodika mjereći koliko se kristalna struktura željeza proširila kada je ovaj element uključen. Ali ovi pristupi su pretpostavili da su i druge komponente, poput silicija i kisika prisutne u jezgru, nije značajno promijenio kristalnu rešetku, nešto što novi rezultati ozbiljno dovode u pitanje.
Geofizičari koje su konsultovali evropski centri, poput Andaluzijskog instituta za nauke o Zemlji (IACT-CSIC), ističu da također nije dobro shvaćeno koliko vode i vodika plašt i jezgro zajedno sadrže, niti kako ovi duboki rezervoari komuniciraju s površinom i atmosferom. Ova praznina u znanju ključna je za objašnjenje zašto Zemlja održava tekuće okeane i tektoniku pločadok planete poput Marsa trenutno nemaju površinsku vodu i uporedivu unutrašnju aktivnost.
Rekonstrukcija jezgra u laboratoriji: dijamantski nakovnji i laseri
Da bi se postigao napredak po ovom pitanju, istraživački timovi iz Univerzitet u Pekingu i Švicarski federalni tehnološki institut u Zürichu (ETH Zurich) Odlučili su se za direktnu strategiju: reproducirati, na mikroskopskoj skali, ekstremne uvjete Zemljinog jezgra i "prebrojati" atome jedan po jedan.
U svojim eksperimentima, naučnici obuhvataju mali list željeza u hidratiziranom silikatnom staklu, koje djeluje kao vodom bogata primordijalna magma. Ovaj sklop se zatim postavlja u ćelija s dijamantskim nakovnjem, uređaj koji koncentrira ogromne sile na malom području: dva dijamantna vrha okrenuta su jedan prema drugom i komprimiraju uzorak dok ne dostigne pritisak reda veličine 111 gigapaskalaTo je oko tri miliona puta veći atmosferski pritisak na površini.
Istovremeno, uzorak se zagrijava snažnim laserima dok se ne približi procijenjene temperature za unutrašnjost planetena oko 5.100 kelvina (oko 4.830 °C). Kombinacija pritiska i toplote uzrokuje topljenje silikatnog stakla i oslobađanje vodonika, kiseonika i silicija, koji se mogu rastvoriti u metalnoj fazi željeza.
Dodatni izazov predstavlja veličina uzoraka: da bi se generirali tako ekstremni pritisci, površina izložena kompresiji mora biti mala, što prisiljava istraživače da rade s mikroskopskim volumenima. Ova veličina drastično smanjuje dostupan signal i otežava tačno određivanje količine vodonika, element koji je već nedostižan zbog svoje lakoće i atomske veličine.
Nakon što su sistem podvrgli ovim uslovima, istraživači su metalne uzorke sveli na sitne "igle" sa vrhovima od jedva 20 nanometara u prečniku. Upravo na ovim mikrostrukturama primjenjuju analitičku tehniku koja čini razliku u odnosu na prethodne pokušaje.
Atomska tomografija sonde: mapiranje vodika na nanoskali
Ključni alat koji koristi Dongyang Huangov tim je atomska sondna tomografija (APT). Ova metoda omogućava trodimenzionalnu rekonstrukciju sastava uzorka s nanometrijskom rezolucijom, identificirajući gotovo sve elemente periodnog sistema elemenata prisutne u njemu.
U praksi, metalne igle podliježu visoki napon kontroliran s preciznošćuElektrično polje uzrokuje ionizaciju i odvajanje atoma na površini jedan po jedan, u procesu poznatom kao isparavanje polja. Detektor bilježi vrijeme leta i položaj udara svakog iona, omogućavajući rekonstrukciju njegovog hemijskog identiteta i originalne lokacije unutar materijala.
Zahvaljujući ovom postupku, istraživači su mogli posmatrati kako Vodonik ulazi iz rastopljenog silikata u željezo.u pratnji silicija i kisika, te kako se ovi elementi integriraju u kristalnu strukturu metala. APT je također omogućio detekciju vrsta kao što su SiH+ ionikoji pomažu u razlikovanju vodika ugrađenog tokom eksperimenta od moguće vanjske kontaminacije.
Važan rezultat ovih analiza je da se, pod obnovljenim uslovima, silicijum, kiseonik i vodonik rastvaraju. istovremeno u željezumodificirajući svoju kristalnu rešetku na načine koji nisu uzeti u obzir u studijama zasnovanim isključivo na difrakciji X-zraka. Ovo kombinovano ponašanje zahtijeva reviziju prethodnih procjena koje su tretirale svaki laki element zasebno.
U proučavanim nanostrukturama, odnos između vodonika i silicijuma pokazao se približno Molarna skala 1:1Kombinujući ove podatke s modelima koji procijenjuju da je sadržaj silicija u jezgru između 2% i 10% težinski, tim je uspio ekstrapolirati koliko je vodika rano Zemljino jezgro moglo pohraniti.
Između 9 i 45 okeana vodonika unutar planete
Procjene dobijene ovom metodologijom pokazuju da Zemljino jezgro sadrži između jedne 0,07% i 0,36% vodika po težiniPrevedeno na manje tehnički jezik, ovaj udio bi bio ekvivalentan vodiku prisutnom između 9 i 45 okeana poput ovih sadašnjih.
Ove vrijednosti su u skladu s drugim nedavnim proračunima koji govore o između 23 i 46 okeanskih ekvivalenataU zavisnosti od korištenih hipoteza i razmatranih raspona pritiska i temperature, iako postoje numeričke razlike, sve studije se slažu oko jedne glavne ideje: jezgro bi moglo biti najveći rezervoar vodika (a time i vode) na planeti, ispred plašta i površinskih okeana.
Istraživači poput Joséa Alberta Padróna iz IACT-CSIC-a ističu da je, dodajući doprinose plašta i jezgra, moguće da unutrašnjost Zemlje može pohraniti nekoliko desetina današnjih okeana u obliku vode ili rastvorenog vodonika. Ovo gledište je u suprotnosti sa uobičajenim shvatanjem da je većina vode koncentrisana u površinskoj hidrosferi.
Međutim, treba napomenuti da se radi o Indirektne procjeneOve procjene su izvedene iz modela sastava jezgra i eksperimenata malog obima. Sami autori priznaju da i dalje postoje neizvjesnosti u vezi sa tačnom količinom silicija prisutnog u jezgru i o mogućim nerazmatranim hemijskim interakcijama, tako da raspon od 9 do 45 okeana treba shvatiti kao razuman raspon, a ne fiksnu brojku.
U svakom slučaju, veličina intervala je dovoljna da se preispita kako je voda bila raspoređena na planeti kroz njenu historiju i kakvu je ulogu igrala. duboki vodik u geološkoj i klimatskoj evoluciji Zemlje.
Kada se pojavio vodonik? Voda je prisutna od formiranja Zemlje.
Pored brojki, jedan od najrelevantnijih aspekata rada Huanga i njegovih saradnika je vrijeme kada je vodonik stigao u unutrašnjost Zemlje. Njihovi rezultati dosljedno podržavaju hipotezu da Većina vodonika u jezgru je ugrađena tokom ranih faza formiranja planeta., prije oko 4.500 miliona godina.
Prema ovom gledištu, dok se planeta formirala kroz nakupljanje stijena, plina i prašine Oko mladog Sunca, dio vodika prisutnog u primitivnim materijalima se rastvorio u tečnom metalu koji će na kraju potonuti i formirati jezgro. Dakle, vodik nije bio "kasni dolazak" donesen uglavnom ledenim kometama, već komponenta koja je već bila integrirana u Zemljino jezgro od njenih prvih nekoliko miliona godina.
Autori tvrde da tako velika količina vodika u jezgru „To bi zahtijevalo da Zemlja većinu svoje vode dobije iz glavnih faza akrecije.“a ne prvenstveno od naknadnih udara. Ovaj pristup se uklapa u određene dinamičke modele formiranja planeta i u izotopske razlike koje odvajaju Zemlju od nekih vrsta meteorita bogatih vodom.
To ne znači da hidratizirane komete i asteroidi uopće nisu doprinijeli, već da bi njihova uloga mogla biti... komplementarnije nego što su neki klasični modeli sugeriraliPovršinska voda koju danas vidimo bi, u velikoj mjeri, bila trenutna manifestacija zaliha vode koje su već bile prisutne u dubinama planete od samog početka.
Ako se ovaj scenario potvrdi, to bi moglo imati značajne implikacije za potragu za potencijalno nastanjivi kameniti svjetovi u drugim planetarnim sistemima. Ako se planete slične Zemlji obično rađaju s već postojećom vodom u sebi, možda vodena okruženja nisu toliko izuzetna kao što se ranije mislilo.
Uticaj na magnetno polje i unutrašnju dinamiku
Značajno prisustvo vodonika u jezgru ne utiče samo na ravnotežu vode, već može uticati i na Ključna fizička svojstva unutrašnjosti planeteVodonik mijenja gustoću, električnu provodljivost i viskoznost tekućeg željeza, a time i uvjete pod kojima se generira magnetsko polje.
Vanjsko jezgro, sastavljeno prvenstveno od tekućeg željeza i nikla, kreće se i konvektira zbog temperature i gradijenta sastava. Ovo kretanje, zajedno sa Zemljinom rotacijom, pokreće geodinamo koji proizvodi magnetsko poljePromjene u mješavini lakih elemenata, poput vodika, mogu utjecati na efikasnost tog procesa i način na koji jezgro gubi toplinu u plašt.
Nekoliko studija ukazuje na to da bi kombinacija silicija, kisika i vodika u metalnim legurama jezgra mogla olakšati prijenos topline na plaštpokrećući unutrašnju dinamiku od vrlo ranih faza. Na taj način, sastav jezgra bi bio povezan s tektonikom ploča, vulkanizmom i, konačno, s površinskim uvjetima koji su Zemlju učinili nastanjivom planetom.
Za evropsku i špansku geofiziku, ovi zaključci otvaraju dodatni put istraživanja: integraciju informacija iz laboratorijski eksperimenti, numeričke simulacije i seizmička posmatranja kako bi se usavršili osnovni modeli. Istraživački centri širom kontinenta već primjenjuju ove podatke za tumačenje globalnih seizmičkih zapisa i za analizu evolucije magnetskog polja tokom miliona godina.
Paralelno s tim, veza između dubokog vodika i nastanjivosti jača vezu između nauke o unutrašnjosti Zemlje i područja kao što su astrobiologija i klimatologijaHistorija vode na Zemlji, koja uslovljava klimu i život na površini, mogla bi biti više povezana sa onim što se dešava hiljadama kilometara dubine nego što se ranije mislilo.
Iako još uvijek ima mnogo nerazjašnjenih pitanja i tačne brojke će trebati biti precizirane novim eksperimentima i metodama posmatranja, ideja da se Zemljino jezgro krije desetine okeana ekvivalent vodonika Ovo gledište dobija sve veću podršku u naučnoj literaturi. Ono ne samo da pomaže u objašnjavanju zašto je vodonik tako rijedak u atmosferi, a tako obilan u unutrašnjosti, već i zahtijeva reviziju klasičnih modela koji se tiču porijekla vode, formiranja stjenovitih planeta i uloge jezgra kao centralnog igrača u evoluciji Zemlje.