Глубинные недра Земли десятилетиями скрывают тайну своего состава. Ученые знают, что ядро планеты состоит в основном из железа, но его плотность ниже, чем у чистого железа в лабораторных условиях. Значит, в ядре есть примеси легких элементов. Водород считался одним из главных кандидатов, но прямых доказательств не существовало — пробурить скважину глубиной 2900 километров невозможно. Теперь группа исследователей представила экспериментальные подтверждения того, что водород действительно присутствует в ядре в огромных количествах.
Авторы работы использовали метод лазерного нагрева в алмазных наковальнях — единственный способ воссоздать экстремальные условия центра Земли. Образцы железа, имитирующие состав ядра, помещали в контакт с гидратированным силикатным стеклом, аналогом древнего океана магмы. Давление в экспериментах достигало 111 ГПа, температура — 5100 К. После завершения опытов ученые применили атомно-зондовую томографию, позволяющую строить трехмерные карты элементного состава с нанометровым разрешением.
В закаленных образцах обнаружились наноструктуры, в которых соотношение кремния и водорода приближалось к 1:1. Это стало ключом к расчетам. Зная, что содержание кремния в ядре оценивается в 2–10 процентов по массе, исследователи экстраполировали пропорцию и определили содержание водорода — примерно 0,07–0,36 процента от массы ядра. В пересчете на воду это соответствует объему от 9 до 45 масс всех земных океанов, вместе взятых.
Это открытие напрямую затрагивает один из фундаментальных вопросов планетологии: откуда на Земле взялась вода? Доминирующая теория гласила, что вода была доставлена на уже сформировавшуюся планету кометами и астероидами на поздних этапах ее развития. Новые данные указывают на иной сценарий. Если ядро содержит столько водорода, значит, большая его часть была захвачена еще на стадии аккреции, когда планета только формировалась и водород растворялся в расплавленном железе первичного ядра. Вода на поверхности появилась позже, когда этот водород высвобождался в ходе вулканической деятельности и соединялся с кислородом.
Кроме того, присутствие такого количества водорода объясняет ряд геофизических особенностей. Легкие элементы в ядре влияют на конвективные потоки жидкого железа, которые генерируют магнитное поле Земли. Они также изменяют температуру плавления и вязкость материала ядра, что сказывается на тепловом режиме всей планеты. Авторы исследования признают, что сохраняются некоторые неопределенности — например, невозможность полностью исключить загрязнение образцов или неточность в оценках содержания кремния. Однако на сегодняшний день это самые прямые и экспериментально обоснованные доказательства того, что в сердце нашей планеты скрывается океан водорода, сопоставимый по массе с гидросферой Земли.
