V zemském jádru se může skrývat vodík pro 45 oceánů

Zemské jádro: od záhady k podrobným modelům

Nový výzkum naznačuje, že hluboko pod našima nohama se ukrývá obrovský zásobník vodíku, který zcela mění pohled na původ vody na Zemi.

Vědci poprvé odhadli, kolik vodíku může být uvězněno přímo v zemském jádru. Výsledek překvapil všechny: potenciál odpovídá desítkám oceánů, o nichž nikdo předtím neměl ani tušení.

Zemské jádro: od záhady k podrobným modelům

Znalosti o nitru naší planety jsou poměrně čerstvé. Teprve rozvoj seismologie na počátku 20. století umožnil Zemi „nahlédnout" v průřezu. Ve třicátých letech ukázal výzkum seismických vln, že ve středu se nachází pevná kovová koule obklopená tekutou vrstvou – vnitřní a vnější jádro.

Analýza rychlosti seismických vln dovolila vypočítat hustotu těchto hlubokých zón. Když vědci porovnali tato data se složením kovových meteoritů, vznikl zdánlivě jednoduchý obraz: jádro se skládá převážně ze železa a niklu. Postupně se však ukázalo, že to nestačí k tomu, aby hodnoty hustoty seděly. Chybělo jakési „lehčí přísada".

Od šedesátých let geofyzici předpokládali, že jádro musí obsahovat také lehké prvky: síru, křemík, kyslík, uhlík a možná i vodík. Problém je v tom, že do jádra se přímo dostat nelze, takže vše stojí na nepřímých náznacích a velmi citlivých měřeních.

Nejnovější 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 přesouvá a v měřeních se jen obtížně „chytá". Ve výzkumu struktury Země to funguje podobně jako šum ve slabých datech: jednotlivá procenta nebo zlomky procenta hmotnosti hrají obrovskou roli, ale přesně je odhadnout je velmi obtížné.

K tomu přistupuje ještě jedna komplikace: veškerá data o jádru jsou nepřímá. Vědci se opírají o:

• záznamy seismických vln po zemětřeseních,
• měření gravitace a momentu setrvačnosti planety,
• vysokotlaké experimenty na vzorcích kovů a hornin,
• srovnání s meteority považovanými za „úlomky raného Sluneční soustavy".

Z takto rozptýlených zdrojů je nutné složit ucelený obraz. Každý nový experiment, který byť o trochu věrněji napodobuje podmínky panující 3 až 5 tisíc kilometrů pod námi, je doslova k nezaplacení.

Jak vědci jádro Země napodobili v laboratoři

V nejnovějším výzkumu se geofyzici rozhodli přistoupit k záhadě přímo: vzali železnou slitinu odpovídající složením jádru a materiál napodobující pradávné magmatické oceány, a pak sledovali, jak se prvky mezi těmito dvěma fázemi rozdělují při extrémních podmínkách.

K tomu bylo zapotřebí diamantových kovadlinek – speciálních zařízení, v nichž dva protilehlé diamanty svírají mikroskopické vzorky na tlaky čítající stovky gigapaskalů. Navíc vědci materiál zahřáli laserem přibližně na 4 800 °C, tedy na teploty blízké těm, jež panují v jádru naší planety.

V experimentu hrály klíčovou roli dva složky:

Po ustálení podmínek vědci využili techniku zvanou tomografie 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 ukazují, že jádro může obsahovat 0,07 až 0,36 procenta své hmotnosti ve formě vodíku. Zní to jako maličkost, ale v měřítku celé planety jde o astronomické číslo. Tým vypočítal, že toto množství odpovídá zásobám vodíku dostatečným k vytvoření 9 až 45 oceánů o objemu srovnatelném s dnešním Světovým oceánem.

Zlomek procenta vodíku v jádru představuje zásobu vody větší, než jsou dohromady všechny současné oceány.

Tento „skrytý" zásobník samozřejmě neznamená, že by kdesi pod námi cákaly mořské vlny. V hloubi planety je vodík vázán ve struktuře kovů pod obrovským tlakem. Jde o to, že v celkovém měřítku Země právě takové množství vodíku skončilo v jádru během formování planety.

Odkud pochází voda na Zemi: dva soupeřící scénáře

Dlouhodobě existují dvě hlavní hypotézy vysvětlující původ pozemské vody:

• voda vznikla společně se Zemí, když mladá planeta shromažďovala hmotu bohatou na těkavé sloučeniny,
• převážná část vody dorazila později s kometami a asteroidy v podobě „deště" kosmických projektilů.

Pokud lze do jádra naskládat vodík v množství odpovídajícím desítkám oceánů, daleko lépe to odpovídá prvnímu scénáři. Ten předpokládá, že na úsvitu pozemských dějin existoval obrovský oceán magmatu, který již tehdy obsahoval vodík a kyslík. Část této směsi se při oddělování jádra od pláště přesunula do nejhlubších částí planety.

Ve scénáři, kde voda pochází hlavně z pozdějších kometárních srážek, by vodík měl převažovat spíše ve vnějších vrstvách – v kůře a plášti. Výsledky experimentu však naznačují výrazné zastoupení vodíku přímo v jádru. To je pádný argument pro to, že Země si „přivlastnila" většinu své vody již při svém zrodu.

Co takový vodík mění v našem pohledu na Zemi

Pokud jádro obsahuje znatelné množství vodíku, bude třeba přezkoumat mnoho 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 zodpovědného za magnetické pole Země.

Magnetické pole plní roli štítu chránícího povrch před slunečním větrem a vysokoenergetickými částicemi. Každá změna v modelech jádra se proto promítá i do předpovědí o stabilitě tohoto ochranného „bublinového pole" v dlouhých časových měřítkách.

Jak to souvisí s hledáním planet vhodných pro život

Nové výsledky mají přesah daleko za hranice naší planety. Astronomové stále lépe odhalují skalnaté exoplanety, ale posoudit, zda mají vodu a zda ji dokážou udržet po miliardy let, je mimořádně obtížné. Pokud se voda může z velké části „schovat" v jádru, je nutné podobný skrytý rezervoár zahrnout do modelování vzdálených planet.

To může změnit odhady, kolik nebeských těles má skutečnou šanci dlouhodobě udržet oceány na svém povrchu. Planeta bez vody v kůře nemusí být vůbec zcela suchá – část jejích zásob mohla skončit hluboko uvnitř, přesně 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 neostrý obraz skutečnosti. Experimenty při tak extrémních podmínkách jsou vždy zatíženy rizikem chyb: vzorky jsou mikroskopické a každá nepřesnost v kalibraci laseru nebo senzorů může výsledek zkreslit.

Proto již jiné geofyzikální týmy ohlásily vlastní experimenty s různými složeními železných slitin, odlišnými teplotami i tlaky. Pokud nezávislá měření ukáží podobné hodnoty obsahu vodíku, hypotéza o „vodnatém" jádru výrazně posílí.

Pro laiky může znít překvapivě, že o nejhlubších vrstvách Země víme stále tak málo. Přitom hranice mezi pláštěm a jádrem leží dál než jakékoli dno oceánu, a podmínky, které tam panují, nelze dokonale reprodukovat. Právě proto geofyzika staví na celé rodině 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 čím dál tím více: změnu klimatu, dlouhodobou stabilitu podmínek na Zemi i šance na život mimo naši sluneční soustavu. To, jak planeta shromažďuje a uchovává vodu, rozhoduje o tom, zda dokáže po miliardy let udržovat oceány, atmosféru a v konečném důsledku i biosféru.

V praxi lze takový výzkum vnímat jako příběh o „pojistce" Země. Pokud je část vody ukryta hluboko, planetární systém se stává odolnějším vůči ztrátám vody z povrchu, například vlivem intenzivnějšího záření hvězdy. Na druhou stranu může velký vnitřní rezervoár za určitých podmínek pomalu doplňovat vyšší vrstvy novými dávkami vody.

Pro vědu je to výzva, aby ještě intenzivněji propojovala data z fyziky zemského nitra, astronomie a planetární chemie. Čím lépe pochopíme, jak naše planeta hospodaří s vodou od jádra až po atmosféru, tím snáze budeme moci posoudit, kde jinde ve vesmíru mohou existovat podobné, dlouhodobě stabilní oázy příznivé pro život.