Překvapivý objev pod povrchem naší planety
Nejnovější vědecké poznatky naznačují, že hluboko pod našimi nohami se nachází obrovská zásobárna vodíku. Tento objev zásadně mění naše chápání toho, odkud vlastně pochází voda na Zemi.
Vědci poprvé odhadli množství vodíku, které by mohlo být uvězněno přímo v zemském jádru. Výsledek překvapil celou vědeckou komunitu – jedná se o potenciál odpovídající desítkám oceánů, o jehož existenci dříve nikdo netušil.
Zemské jádro: od záhady k detailním modelům
Naše znalosti o nitru planety jsou poměrně čerstvé. Teprve rozvoj seismologie na počátku 20. století umožnil nahlédnout do struktury Země. Ve třicátých letech minulého století odhalil výzkum seismických vln, že v samém středu se nachází pevná kovová koule obklopená tekutou vrstvou – vnitřní a vnější jádro.
Rozbor rychlosti seismických vln dovolil spočítat hustotu těchto hlubokých zón. Srovnání s kovovými meteority přineslo celkem jednoduchý závěr: jádro tvoří především železo a nikl. Postupem času se však ukázalo, že to nestačí k vysvětlení naměřených hodnot hustoty. Chybělo něco lehčího.
Od šedesátých let geofyzici předpokládali přítomnost lehkých prvků v jádru: síry, křemíku, kyslíku, uhlíku a možná i vodíku. Problém spočívá v tom, že se k jádru nedá přímo dostat, takže veškeré závěry vycházejí z nepřímých indicií a mimořádně citlivých měření.
Proč je vodík v jádru tak těžko zachytitelný
Vodík představuje nejlehčí a nejmenší ze všech prvků. Snadno proniká minerály, rychle se přemísťuje a obtížně se zachycuje v měřeních. Při studiu struktury Země to funguje jako šum ve slabých datech – jednotlivá procenta či zlomky procenta hmotnosti představují obrovský rozdíl, ale jejich přesné určení je nesmírně náročné.
Navíc jsou všechna data o jádru nepřímá. Vědci se opírají o:
- záznamy seismických vln po zemětřeseních
- měření gravitace a momentu setrvačnosti planety
- vysokotlaké experimenty se vzorky kovů a hornin
- srovnání s meteority považovanými za „kousky raného Sluneční soustavy"
Z takto rozptýlených zdrojů je třeba sestavit ucelený obraz. Každý nový experiment, který byť jen o něco lépe napodobuje podmínky panující 3–5 tisíc kilometrů pod námi, má cenu zlata.
Jak se podařilo v laboratoři napodobit zemské jádro
V nejnovějším výzkumu se geofyzici rozhodli přistoupit k záhadě přímo. Vzali slitinu železa odpovídající složením jádru spolu s materiálem napodobujícím prastarý magmatický oceán a zkoumali, jak se mezi nimi rozdělují prvky za extrémních podmínek.
K tomu potřebovali diamantové komůrky – speciální zařízení, kde dva protilehlé diamanty stlačují mikroskopické vzorky na tlaky měřené ve stovkách gigapascalů. Vědci navíc materiál zahřáli laserem na přibližně 4800 °C, tedy teplotu blízkou podmínkám v jádru naší planety.
Klíčové byly dva složky experimentu:
- Slitina železa podobná jádru – simuluje kovové jádro Země
- Křemičité sklo s vodou – představuje dávný magmatický oceán obsahující sloučeniny vodíku
Po ustálení podmínek badatelé využili techniku zvanou atomová sondová tomografie. Ta umožňuje „vidět" složení vzorku téměř atom po atomu ve třech rozměrech. Díky tomu lze přesně spočítat množství křemíku, kyslíku a vodíku v kovové i křemičité části.
Kolik vodíku pojme zemské jádro
Získaná data ukazují, že jádro může obsahovat 0,07 až 0,36 procenta hmotnosti ve formě vodíku. Zní to jako maličkost, ale v měřítku celé planety jde o obrovské číslo. Tým vypočítal, že to odpovídá množství vodíku dostačujícímu k vytvoření 9 až 45 oceánů o objemu srovnatelném s dnešním Světovým oceánem.
Tento „skrytý" zásobník samozřejmě neznamená, že někde pod námi šplouchají moře. V hlubinách planety je vodík vázán ve struktuře kovů pod gigantickým tlakem. Podstatné je, že v celozemském měřítku právě tolik vodíku skončilo v jádru během formování planety.
Původ vody na Zemi: dva soupeřící scénáře
Po léta existují dvě hlavní hypotézy vysvětlující, odkud se na Zemi vzala voda:
- Voda vznikla společně se Zemí, když mladá planeta shromažďovala hmotu bohatou na těkavé sloučeniny
- Převážná část vody dorazila později s kometami a asteroidy jako „déšť" kosmických projektilů
Pokud lze do jádra vtěsnat vodík v množství odpovídajícím desítkám oceánů, výrazně lépe to zapadá do prvního scénáře. Ten předpokládá, že na počátku historie Země existoval obrovský magmatický oceán již obsahující vodík a kyslík. Část této směsi se při oddělování jádra a pláště dostala do nejhlubších partií planety.
Ve scénáři, kde voda pochází převážně z pozdějších dopadů komet, by měl vodík dominovat spíše ve vnějších vrstvách – v kůře a plášti. Výsledky experimentu však naznačují značný podíl vodíku v samotném jádru. To je silný argument pro to, že si Země „přinesla" většinu své vody už při svém zrození.
Co vodík v jádru mění v našem pohledu na Zemi
Obsahuje-li jádro významná množství vodíku, je třeba přehodnotit řadu dosavadních modelů. Vodík ovlivňuje:
- hustotu slitiny železa a niklu při vysokém tlaku
- teplotu tání a viskozitu tekutého vnějšího jádra
- tepelnou a elektrickou vodivost uvnitř planety
- fungování geodynama zodpovědného za magnetické pole Země
Magnetické pole slouží jako štít chránící povrch před slunečním větrem a vysokoenergetickými částicemi. Jakákoli změna v modelech jádra proto ovlivňuje i předpovědi týkající se stability této ochranné bubliny v dlouhodobém horizontu.
Souvislost s hledáním planet vhodných pro život
Nové výsledky mají význam nejen pro naši planetu. Astronomové stále lépe detekují skalnaté exoplanety, ale velmi obtížně posuzují, zda mají vodu a dokážou si ji udržet po miliardy let. Může-li se voda z velké části „schovat" v jádru, je nutné zohledňovat tento skrytý rezervoár při modelování vzdálených planet.
To může změnit odhady, kolik vesmírných těles má skutečně šanci dlouhodobě udržet oceány na povrchu. Planeta bez vody v kůře nemusí být zcela suchá – část zásob mohla skončit hluboko uvnitř, jak nejnovější data naznačují v případě Země.
Nejistoty a další kroky ve výzkumu
Autoři studie sami zdůrazňují, že jejich výsledek je třeba chápat jako první, zatím neostrý obraz. Experimenty za tak extrémních podmínek jsou vždy zatíženy rizikem chyb: vzorky jsou mikroskopické a jakákoli nepřesnost v kalibraci laseru či senzorů může výsledek posunout.
Proto již jiné týmy geofyziků ohlásily vlastní pokusy s různými složeními slitin železa, jinými teplotami a tlaky. Pokud nezávislá měření ukážou podobné hodnoty obsahu vodíku, hypotéza o „vodnatém" jádru významně posílí.
Pro laiky může znít překvapivě, že o nejhlubších vrstvách Země stále víme tak málo. Hranice mezi pláštěm a jádrem leží dále než jakékoli oceánské dno a tamní podmínky nelze dokonale napodobit. Proto se geofyzika opírá o soubor různých metod, které se vzájemně ověřují či korigují.
Co si z toho může odnést běžný čtenář
Otázka vodíku v jádru spojuje několik témat, o nichž se mluví stále častěji: změnu klimatu, dlouhodobou stabilitu podmínek na Zemi či šance na život mimo Sluneční soustavu. To, jak planeta shromažďuje a uchovává vodu, rozhoduje o tom, zda dokáže udržet oceány, atmosféru a nakonec i biosféru po miliardy let.
V praxi lze na takový výzkum nahlížet jako na příběh o „pojištění" Země. Je-li část vody ukryta hluboko, stává se planetární systém odolnějším vůči ztrátě vody z povrchu, například intenzivnějším zářením hvězdy. Na druhou stranu může velký rezervoár uvnitř za určitých podmínek pomalu zásobovat svrchní vrstvy novými dávkami vody.
Pro vědu je to výzva k ještě těsnějšímu propojení dat z fyziky zemského nitra, astronomie a planetární chemie. Čím lépe pochopíme, jak naše planeta hospodaří s vodou od jádra po atmosféru, tím snáze posoudíme, kde mimo Zemi mohou existovat podobné, dlouhověké oázy příznivé pro život.
