Obrovská zásoba vodíku hluboko pod povrchem
Nejnovější vědecké poznatky naznačují, že hluboko v nitru naší planety se nachází masivní rezervoár vodíku, který zásadně mění naše chápání původu vody na Zemi.
Vědci poprvé vypočítali, kolik vodíku by mohlo být uvězněno přímo v zemském jádru. Výsledky předčily veškerá očekávání – jedná se o potenciál desítek oceánů, o kterém dosud nikdo neměl ponětí.
Pronikání do tajemství zemského jádra
Naše znalosti o vnitřním uspořádání planety jsou poměrně mladé. Teprve rozvoj seismologie na počátku dvacátého století umožnil nahlédnout do hlubin Země. Ve třicátých letech minulého století odhalilo studium seismických vln, že středu planety dominuje pevná kovová koule obklopená tekutou vrstvou – tedy vnitřní a vnější jádro.
Rozbor rychlostí seismických vln dovolil stanovit hustotu těchto hlubokých oblastí. Srovnání s kovovými meteority přineslo celkem jednoduchý závěr: jádro tvoří převážně železo a nikl. Postupem času se však ukázalo, že tyto prvky nestačí k vysvětlení naměřených hodnot hustoty. Chyběla jakási lehčí složka.
Od šedesátých let dvacátého století geofyzici předpokládali přítomnost lehkých prvků v jádře: síry, křemíku, kyslíku, uhlíku a možná i vodíku. Potíž spočívá v tom, že k jádru se nedostaneme přímo, takže veškeré závěry vycházejí z nepřímých indicií a nesmírně přesných měření.
Laboratorní experimenty nově ukazují, že zemské jádro může obsahovat vodík odpovídající 9 až 45 oceánům.
Proč je vodík v jádru tak obtížně zjistitelný
Vodík představuje nejlehčí a nejmenší ze všech chemických prvků. Snadno proniká minerály, rychle migruje a jeho zachycení v měřeních je mimořádně náročné. Při zkoumání struktury Země působí jako šum ve slabých datech – i zlomky procenta hmotnosti znamenají zásadní rozdíl, avšak jejich přesné určení je složité.
K tomu se přidává další komplikace: veškeré informace o jádře jsou nepřímé. Vědci se opírají o:
- záznamy seismických vln po zemětřeseních,
- měření gravitace a momentu setrvačnosti planety,
- vysokotlaké experimenty se vzorky kovů a hornin,
- porovnání s meteority považovanými za „úlomky raného Sluneční soustavy".
Z tak rozptýlených zdrojů je třeba sestavit konzistentní obraz. Jakýkoli nový experiment, který byť jen o trochu lépe napodobuje podmínky panující 3 až 5 tisíc kilometrů pod námi, má nedocenitelnou hodnotu.
Rekonstrukce zemského jádra v laboratoři
V nejnovějším výzkumu se geofyzici rozhodli přistoupit k problému přímo: vzali slitinu železa odpovídající složením jádru a materiál napodobující pradávný magmatický oceán, a následně sledovali, jak se mezi nimi rozdělují prvky při extrémních podmínkách.
K tomuto účelu využili diamantové komůrky – speciální zařízení, kde dva protilehlé diamanty stlačují mikroskopické vzorky na tlaky v řádu stovek gigapascalů. Materiál navíc zahřáli laserem přibližně na 4800 °C, tedy na teploty srovnatelné s těmi v jádru naší planety.
Experiment zahrnoval dva klíčové komponenty:
- Slitina železa podobná jádru – simuluje kovové zemské jádro
- Křemičité sklo s vodou – představuje dávný magmatický oceán obsahující sloučeniny vodíku
Po ustálení podmínek badatelé použili techniku zvanou atomová sondová tomografie. Ta umožňuje „prohlédnout" složení vzorku prakticky atom po atomu ve třech rozměrech. Díky tomu lze přesně spočítat, kolik křemíku, kyslíku a vodíku se nachází v kovové části a kolik v křemičitanové.
Kolik vodíku pojme zemské jádro
Získaná data ukazují, že jádro může obsahovat 0,07 až 0,36 procenta hmotnosti v podobě vodíku. Zní to jako nepatrné množství, ale v měřítku celé planety jde o ohromné číslo. Výzkumný tým vypočítal, že to odpovídá množství vodíku dostatečnému k vytvoření 9 až 45 oceánů o objemu srovnatelném s dnešním světovým oceánem.
Zlomek procenta vodíku v jádře se promítá do zásoby vody větší než všechny současné oceány dohromady.
Tento „skrytý" rezervoár samozřejmě neznamená, že kdesi pod námi šplouchají moře. V hlubinách planety je vodík vázán ve struktuře kovů pod gigantickým tlakem. Podstatné je, že v celozemském měřítku právě takové množství vodíku proniklo do jádra během formování planety.
Odkud pochází voda na Zemi: dva soupeřící scénáře
Již léta existují dvě hlavní hypotézy vysvětlující přítomnost vody na naší planetě:
- Voda vznikla společně se Zemí, když mladá planeta hromadila hmotu bohatou na těkavé sloučeniny
- Převážná část vody dorazila později s kometami a asteroidy v podobě „deště" kosmických těles
Pokud lze do jádra vtěsnat vodík v množství odpovídajícím desítkám oceánů, mnohem lépe to zapadá do prvního scénáře. Ten předpokládá existenci rozsáhlého magmatického oceánu v raných dějinách Země, který již obsahoval vodík a kyslík. Část této směsi se během oddělování jádra a pláště dostala do nejhlubších partií planety.
Ve scénáři, kdy voda pochází především z pozdějších dopadů komet, by vodík měl převažovat spíše ve vnějších vrstvách – v kůře a plášti. Výsledky experimentu však naznačují významný podíl vodíku přímo v jádře. To představuje silný argument pro to, že Země „získala" většinu své vody již při svém zrodu.
Jak tento vodík mění náš pohled na planetu
Pokud jádro obsahuje podstatné množství vodíku, je nutné 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 plní úlohu štítu chránícího povrch před slunečním větrem a vysokoenergetickými částicemi. Jakákoli změna v modelech jádra tak ovlivňuje i předpovědi stability této ochranné „bubliny" v dlouhodobém horizontu.
Souvislost s hledáním obyvatelných planet
Nové poznatky mají význam nejen pro naši planetu. Astronomové stále lépe detekují skalnaté exoplanety, ale velmi obtížně hodnotí, zda disponují vodou a dokáží ji udržet po miliardy let. Jestliže se voda může z velké části „ukrýt" v jádře, je třeba tento skrytý rezervoár zohlednit při modelování vzdálených světů.
To může změnit odhady, kolik vesmírných těles má skutečnou šanci dlouhodobě udržet oceány na povrchu. Planeta bez vody v kůře nemusí být zcela suchá – část zásob mohla proniknout hluboko dovnitř, jak nejnovější data naznačují v případě Země.
Nejistoty a další kroky ve výzkumu
Autoři studie sami zdůrazňují, že jejich výsledek je třeba vnímat jako první, dosud neostrý obrázek. Experimenty za tak extrémních podmínek jsou vždy zatíženy rizikem chyb: vzorky jsou mikroskopické a jakákoli nepřesnost v kalibraci laseru či senzorů může posunout výsledek.
Proto další týmy geofyziků již avizují vlastní experimenty s různými složeními slitin železa, odlišnými teplotami a tlaky. Pokud nezávislá měření ukáží podobné hodnoty obsahu vodíku, hypotéza o „vodíkovém" jádře výrazně 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 kontrolují či doplňují.
Praktický význam těchto zjištění
Otázka vodíku v jádře propojuje několik témat, o nichž se mluví stále častěji: klimatické změny, dlouhodobou stabilitu podmínek na Zemi i možnost života mimo Sluneční soustavu. Způsob, jakým planeta shromažďuje a uchovává vodu, rozhoduje o tom, zda dokáže udržovat oceány, atmosféru a v konečném důsledku biosféru po miliardy let.
Prakticky lze na tyto výzkumy pohlížet jako na příběh o „pojištění" Země. Je-li část vody schována hluboko uvnitř, stává se planetární systém odolnějším vůči ztrátě vody z povrchu, například vlivem intenzivnějšího záření hvězdy. Na druhou stranu může rozsáhlý rezervoár uvnitř za určitých podmínek postupně doplňovat horní vrstvy novými dávkami vody.
Pro vědu je to pobídka k ještě intenzivnějšímu propojování poznatků 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 by mohly existovat podobné, dlouhodobě stabilní oázy příznivé pro vznik života.
