Zemské jádro: od záhady k podrobným modelům
Nový výzkum naznačuje, že hluboko pod našima nohama se ukrývá obrovské zásobiště vodíku, které zcela mění pohled na původ vody na naší planetě. Vědci poprvé odhadli, kolik vodíku může být uzavřeno přímo v zemském jádru – a výsledek všechny překvapil.
Znalosti o nitru Země jsou poměrně čerstvé. Teprve rozvoj seizmologie na počátku 20. století umožnil „nahlédnout" do planety v průřezu. Ve třicátých letech minulého století odhalil výzkum seizmických vln, že v samotném středu se nachází pevná kovová koule obklopená tekutou vrstvou – vnitřní a vnější jádro.
Analýza rychlosti seizmických vln dovolila vypočítat hustotu těchto hlubokých zón. Když se tyto údaje porovnaly se složením kovových meteoritů, obraz byl zdánlivě jednoduchý: jádro se skládá převážně ze železa a niklu. Postupem času však vyšlo najevo, že to nestačí k vysvětlení naměřených hodnot hustoty – scházel takzvaný „lehčí prvek".
Od šedesátých let 20. století geofyzici předpokládali, že jádro musí obsahovat i lehké prvky: síru, křemík, kyslík, uhlík a možná i vodík. Jenže přímo do jádra se dostat nelze, takže vše stojí na nepřímých stopách a velmi citlivých měřeních.
Nové laboratorní experimenty ukazují, že v zemském jádru může být tolik vodíku, kolik by stačilo na 9 až 45 oceánů.
Proč je vodík v jádru tak těžko zachytitelný
Vodík je nejlehčí a nejmenší ze všech prvků. Proniká minerály, snadno se pohybuje a v měřeních se ho obtížně „chytí". Ve výzkumu struktury Země to funguje podobně jako šum ve slabých datech: jednotlivá procenta nebo zlomky procenta hmotnosti dělají obrovský rozdíl, ale přesně je odhadnout je mimořádně náročné.
K tomu přistupuje další komplikace: veškerá data o jádru jsou nepřímá. Vědci se opírají o:
- záznamy seizmických vln po zemětřeseních,
- měření gravitace a momentu setrvačnosti planety,
- vysokotlaké experimenty s vzorky kovů a hornin,
- srovnání s meteority považovanými za „úlomky raného Sluneční soustavy".
Z takto rozptýlených zdrojů je třeba složit ucelený obraz. Každý nový experiment, který byť jen trochu věrněji napodobuje podmínky panující 3 až 5 tisíc kilometrů pod námi, má neocenitelnou hodnotu.
Jak vědci zemské jádro znovu vytvořili v laboratoři
V nejnovějším výzkumu se geofyzici rozhodli přistoupit k záhadě přímo: vzali slitinu železa odpovídající složením jádru a materiál napodobující pradávný magmatický oceán a sledovali, jak se mezi nimi prvky rozdělují při extrémních podmínkách.
K tomu byly zapotřebí diamantové tlakové buňky – speciální přístroje, v nichž dva protilehlé diamanty stlačují mikroskopické vzorky na tlaky čítající stovky gigapascalů. Vědci navíc zahřáli materiál laserem přibližně na 4 800 °C, tedy na teploty blízké těm, jež panují v jádru naší planety.
V experimentu hrály klíčovou roli dva složky:
| Složka | Úloha v experimentu |
|---|---|
| Slitina železa podobná jádru | Simuluje kovové zemské jádro |
| Křemičité sklo s vodou | Napodobuje dávný magmatický oceán obsahující sloučeniny vodíku |
Po ustálení podmínek vědci využili techniku zvanou tomografie s atomovou sondou. Ta umožňuje „vidět" složení vzorku téměř atom po atomu ve třech rozměrech. Díky tomu lze přesně spočítat, kolik křemíku, kyslíku a vodíku se nachází v kovové části a kolik v části křemičité.
Kolik vodíku se vejde do zemského jádra
Získaná data naznačují, že jádro může obsahovat 0,07 až 0,36 procenta své hmotnosti v podobě vodíku. Zní to jako maličkost, ale v měřítku celé planety jde o astronomické množství. Tým vypočítal, že toto množství odpovídá vodíku potřebnému k vytvoření 9 až 45 oceánů srovnatelných s dnešním Světovým oceánem.
Zlomek procenta vodíku v jádru představuje zásobu vody větší, než jsou všechny současné oceány dohromady.
Toto „skryté" zásodiště samozřejmě neznamená, že někde pod námi čeří moře. V hloubi planety je vodík vázán ve struktuře kovů pod obrovským tlakem. Jde o to, že v měřítku celé Země právě tolik vodíku skončilo v jádru při formování planety.
Odkud pochází voda na Zemi: dva soupeřící scénáře
Po léta existují dvě hlavní hypotézy vysvětlující původ vody na Zemi:
- voda vznikla zároveň se Zemí, když mladá planeta hromadila hmotu bohatou na těkavé sloučeniny,
- hlavní část vody dorazila později s kometami a asteroidy v podobě „deště" kosmických těles.
Pokud lze do jádra uložit vodík v množství odpovídajícím desítkám oceánů, výrazně lépe to odpovídá prvnímu scénáři. Ten předpokládá, že v počátcích historie Země existoval obrovský magmatický oceán, který již obsahoval vodík a kyslík. Část této směsi se během oddělování jádra a pláště dostala do nejhlubších oblastí planety.
Ve scénáři, kde voda pochází převážně z pozdějších srážek s kometami, by vodík měl převládat spíše ve vnějších vrstvách – v kůře a plášti. Výsledky experimentu však naznačují výrazný podíl vodíku přímo v jádru. To je silný argument pro to, že Země si „přinesla" většinu své vody již při svém zrodu.
Co taková zásoby vodíku mění v našem pohledu na Zemi
Pokud jádro obsahuje významná množství vodíku, bude nutné přehodnotit celou řadu dosavadních modelů. Vodík totiž ovlivňuje:
- hustotu slitiny železa a niklu při vysokém tlaku,
- teplotu tání a viskozitu tekutého vnějšího jádra,
- tepelnou a elektrickou vodivost uvnitř planety,
- způsob fungování geodynama odpovědného za magnetické pole Země.
Magnetické pole plní roli štítu chránícího povrch před slunečním větrem a vysokoenergetickými částicemi. Každá změna v modelech jádra proto ovlivňuje i předpovědi týkající se stability tohoto ochranného „bublinového pole" v dlouhém časovém horizontu.
Jak to souvisí s hledáním planet vhodných pro život
Nové výsledky mají význam daleko přesahující naši planetu. Astronomové stále lépe detekují skalnaté exoplanety, ale posoudit, zda mají vodu a dokážou ji udržet po miliardy let, je velmi obtížné. Pokud se voda může z velké části „schovat" do jádra, je třeba tento skrytý rezervoár zahrnout do modelování vzdálených planet.
To může změnit odhady, kolik nebeských těles má šanci dlouhodobě udržovat oceány na povrchu. Planeta bez vody v kůře nemusí být vůbec suchá – část zásob mohla skončit hluboko uvnitř, jak nejnovější data naznačují v případě Země.
Nejistoty a další kroky výzkumu
Autoři studie sami zdůrazňují, že jejich výsledek je třeba brát jako první, ještě ne zcela ostrý obraz. Experimenty za tak extrémních podmínek jsou vždy zatíženy rizikem chyb: vzorky jsou mikroskopické a sebemenší nepřesnost v kalibraci laseru či senzorů může výsledek posunout.
Proto již další týmy geofyziků ohlásily vlastní experimenty s různým složením slitiny železa, odlišnými teplotami a tlaky. Pokud nezávislá měření ukáží podobné hodnoty obsahu vodíku, hypotéza o „vodnatém" jádru výrazně posílí.
Pro laiky může být překvapivé, že o nejhlubších vrstvách Země stále víme tak málo. Hranice mezi pláštěm a jádrem leží dále než jakékoli mořské dno a tamní podmínky nelze dokonale reprodukovat. Proto geofyzika staví na souboru různých metod, které se navzájem ověřují nebo korigují.
Co si z toho může odnést běžný čtenář
Otázka vodíku v jádru propojuje několik témat, o nichž se hovoří stále častěji: klimatickou změnu, dlouhodobou stabilitu podmínek na Zemi i šance na život mimo Sluneční soustavu. To, jak planeta shromažďuje a uchovává vodu, rozhoduje o tom, zda může po miliardy let udržovat oceány, atmosféru a nakonec i biosféru.
Prakticky lze na takový výzkum nahlížet jako na příběh o „pojistce" Země. Pokud je část vody ukryta hluboko, planetární systém se stává odolnějším vůči ztrátě vody z povrchu, například vlivem intenzivnějšího záření hvězdy. Na druhou stranu může velký rezervoár uprostřed za určitých podmínek pomalu zásobovat svrchní vrstvy novými dávkami vody.
Pro vědu je to pobídka k ještě těsnějšímu propojení dat z fyziky zemského nitra, astronomie a planetární chemie. Čím lépe rozumíme tomu, jak naše planeta hospodaří s vodou od jádra až po atmosféru, tím snadněji posoudíme, kde mimo Zemi mohou existovat podobné, dlouhodobě životu příznivé oázy.
