Zamislite sve okeane na Zemlji, koji pokrivaju oko 70% planete i uglavnom su sastavljeni od vodonika. Sada to pomnožite sa devet. To bi mogla biti količina vodonika u Zemljinoj jezgri, što bi je potencijalno činilo najvećim rezervoarom vodonika na planeti, procijenili su istraživači nedavno, piše CNN.
A devet “okeana” vodonika je donja granica njihove procjene; moguće je da u jezgri ima čak do 45 okeana ekvivalentne količine vodonika. Drugim riječima, vodonik bi mogao činiti približno 0,07% do 0,36% ukupne mase Zemljine jezgre, objavili su naučnici u utorak u časopisu Nature Communications. To sugeriše da je Zemlja većinu svoje vode — glavnog izvora vodonika na planeti — dobila tokom formiranja planete, a ne kasnije kroz udare kometa koji bi ostavili vodu na površini, kako su neki naučnici ranije pretpostavljali, rekao je glavni autor studije Dongyang Huang, docent na Školi za nauke o Zemlji i svemiru na Pekinškom univerzitetu.
„Zemljina jezgra bi pohranila većinu vode u prvih milion godina istorije Zemlje“, rekao je Huang za CNN putem e-maila. Sljedeći po količini vode su plašt i kora. „Površina — gdje postoji život — sadrži najmanje“, dodao je.
Prije više od 4,6 milijardi godina, stijene, gas i prašina oko našeg Sunca sudarali su se i formirali mladu planetu. Vremenom su ti sudari oblikovali Zemljinu jezgru, plašt i koru. U dubokoj unutrašnjosti Zemlje i pod ogromnim pritiskom počela je da se kreće gusta, vruća i fluidna metalna jezgra. Sastavljena uglavnom od željeza i nikla, ona pokreće zaštitno magnetno polje Zemlje.
„Vodonik može ući u metalnu tečnost koja formira jezgru samo ako je bio prisutan tokom glavnih faza rasta Zemlje i učestvovao u formiranju jezgre“, rekao je Rajdeep Dasgupta, profesor nauke o Zemljinim sistemima na Odsjeku za nauke o Zemlji, okolišu i planetama na Univerzitetu Rice u Teksasu. Dasgupta nije učestvovao u novom istraživanju.
Proučavanje porijekla i raspodjele vodonika ključno je za razumijevanje formiranja planeta i evolucije života na Zemlji. Naučnici se dugo pitaju koliko bi vodonika moglo biti “zakopano” u Zemljinom rastopljenom metalnom motoru, te su analizirali hemijske interakcije u željezu kako bi procijenili rezervoar vodonika u metalnoj jezgri. Međutim, jezgra je previše duboko da bi se direktno posmatrala, a uslove visokog pritiska teško je reproducirati u laboratoriji.
Općenito, vodonik je teško kvantifikovati „jer je najlakši i najmanji element, što znači da njegovo mjerenje prevazilazi kapacitete rutinskih analitičkih metoda“, rekao je Huang.
Niska gustoća jezgre ranije je nagovještavala obilje vodonika, ali je naučnicima bilo teško precizno odrediti količinu u odnosu na druge poznate elemente jezgre koji su lakši za mjerenje, poput silicija i kisika. Ranija istraživanja procjenjivala su količinu vodonika u jezgri pomoću rendgenske difrakcije, posmatrajući strukturu rešetke u kristalima željeza, koja se više širi kada je prisutan vodonik. Međutim, procjene su se znatno razlikovale, od 10 dijelova na milion po masi do 10.000 dijelova na milion (odnosno od 0,1 okeana do više od 120 okeana), prema studiji.
Posmatranja na atomskom nivou
„Ova tehnika je fundamentalno drugačija od ranijih metoda“, rekao je Huang. Istraživači su uzorke oblikovali u igličaste strukture promjera oko 20 nanometara, zatim ih izlagali precizno kontrolisanom visokom naponu. Nakon toga, atomi u uzorcima su ionizirani i brojani jedan po jedan, objasnio je.
Kako bi dobili novu procjenu, naučnici su izveli eksperimente koji simuliraju temperaturu i pritisak u jezgri, koristeći željezo kao zamjenu za tečnu metalnu jezgru. Željezo su topili laserima u uređaju visokog pritiska nazvanom dijamantska nakovnja (diamond anvil cell), a zatim direktno posmatrali vodonik i druge elemente jezgre koristeći atomsku tomografiju sonde, koja pravi 3D slike i mjeri hemijski sastav na atomskom nivou.
Ovaj pristup se oslanja na pretpostavke o rasporedu atoma u Zemljinoj jezgri i načinu na koji se silicij, kisik i vodonik tamo raspoređuju, rekao je Huang. Eksperimenti su pokazali kako je vodonik reagovao sa silicijem i kisikom u nanostrukturama dok se metal hladio, pri čemu je odnos vodonika i silicija bio približno 1:1. Kombinovanjem tih opažanja sa ranijim procjenama količine silicija u jezgri, istraživači su uspjeli približno procijeniti količinu vodonika u jezgri.
Procjena nesigurnosti
Interakcija silicija, kisika i vodonika u željeznim nanostrukturama daje tragove o tome kako se toplota mogla oslobađati iz jezgre u plašt, pokrećući proces formiranja Zemljinog magnetnog polja, „koje je neophodno da bi Zemlja postala nastanjivo mjesto“, rekao je Huang.
Međutim, naučnici upozoravaju da je potrebno dodatno istraživanje kako bi se ova procjena potvrdila i precizirala, jer ovaj indirektni pristup uključuje određene nesigurnosti i ne uzima u obzir sve hemijske interakcije koje mogu uticati na izračun količine vodonika u jezgri.
Zaista, količina vodonika u jezgri mogla bi biti znatno veća nego što nova procjena sugeriše, rekao je Kei Hirose, profesor na Prirodno-matematičkom fakultetu Univerziteta u Tokiju, koji proučava sastav Zemljine jezgre, ali nije učestvovao u istraživanju.
Jedan izvor nesigurnosti je količina vodonika koja je možda „pobjegla“ iz uzoraka željeza tokom dekompresije; taj gubitak je zabilježen u drugim studijama, ali nije uključen u nove izračune. Hirose je ranije procijenio da vodonik čini između 0,2% i 0,6% mase Zemljine jezgre, „što je više nego što predlaže ovaj novi rad“, rekao je za CNN putem e-maila.
Ako se mjerenja i hipoteza autora pokažu tačnim, „to bi sugerisalo da je vodonik bio prisutan tokom cijelog rasta Zemlje“, rekao je Dasgupta. Gas iz maglina, kao i voda iz kometa i asteroida, također su mogli biti izvori Zemljinog vodonika, dodao je Hirose.
Vodonik je ključni element za život na Zemlji, „zajedno sa ugljikom, dušikom, kisikom, sumporom i fosforom“, rekao je Dasgupta, čija istraživanja proučavaju ulogu tih hlapljivih elemenata tokom formiranja Zemlje. „Ovaj novi rad će sigurno uticati na buduća istraživanja i rasprave o ovoj temi.“