Jádro Země ukrývá obrovské zásoby vodíku
Nový výzkum naznačuje, že hluboko pod našima nohama se nachází gigantické úložiště vodíku, které zásadně mění naše chápání původu vody na Zemi.
Vědci poprvé odhadli, kolik vodíku může být uzavřeno přímo v zemském jádru. Výsledek překvapil všechny: jde o potenciál odpovídající desítkám oceánů, o nichž dříve nikdo neměl ani tušení.
Od záhady k podrobným modelům zemského nitra
Znalosti o vnitřní stavbě naší planety jsou poměrně nedávné. Teprve rozvoj seizmologie na začátku 20. století umožnil „nahlédnout" do Země v průřezu. Ve 30. letech odhalil výzkum seizmických vln, že v centru planety se nachází tuhá kovová koule obklopená tekutou vrstvou – vnitřní a vnější jádro.
Analýza rychlosti seizmických vln umožnila vypočítat hustotu těchto hlubokých zón. Když se tato data porovnala se složením kovových meteoritů, vynořil se zdánlivě jednoduchý obraz: jádro se skládá převážně ze železa a niklu. Časem se však ukázalo, že to nestačí k vysvětlení naměřených hodnot hustoty. Chyběl jakýsi „lehčí prvek".
Od 60. let 20. století geofyzici předpokládali, že jádro musí obsahovat také lehké prvky: síru, křemík, kyslík, uhlík a možná i vodík. Problém spočívá v tom, že do jádra se fyzicky dostat nelze, takže vše závisí na nepřímých indiciích a velmi citlivých měřeních.
Nové laboratorní experimenty ukazují, že v zemském jádru může být tolik vodíku, kolik by stačilo na vytvoření 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 ho lze jen těžko „chytit". Ve výzkumu struktury Země to funguje podobně jako šum ve slabém signálu: jediné procento nebo zlomek procenta hmotnosti mají obrovský vliv, ale přesně je odhadnout je velmi obtížné.
K tomu přistupuje ještě jedna 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,
- porovnávání s meteority považovanými za „úlomky raného Sluneční soustavy".
Z takto rozptýlených zdrojů je nutné sestavit ucelený obraz. Každý nový experiment, který byť jen o trochu přesněji napodobuje podmínky panující 3 až 5 tisíc kilometrů pod námi, má nesmírnou hodnotu.
Jak vědci zemské jádro zreprodukovali 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 zjišťovali, jak se mezi nimi prvky rozdělují při extrémních podmínkách.
K tomu bylo zapotřebí diamantových komůrek – speciálních zařízení, 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, které 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 atomová sondová tomografie. Ta umožňuje „vidět" složení vzorku téměř atom po atomu ve třech rozměrech. Díky tomu bylo možné přesně spočítat, kolik křemíku, kyslíku a vodíku se nachází v kovové části a kolik v části křemičité.
Kolik vodíku se vejde do zemského jádra
Ze získaných dat vyplývá, že jádro může obsahovat 0,07 až 0,36 procenta své hmotnosti ve formě vodíku. Zní to jako drobnost, ale v měřítku celé planety jde o obrovské číslo. Tým vypočítal, že toto množství odpovídá vodíku dostatečnému 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" úložiště samozřejmě neznamená, že někde pod námi se pohupují moře. V hlubinách planety je vodík vázán ve struktuře kovů pod obrovským tlakem. Jde o to, že v celoplanetárním měřítku právě tolik vodíku přešlo do jádra během formování Země.
Odkud se vzala voda na Zemi: dva konkurující scénáře
Po léta existují dvě hlavní hypotézy vysvětlující původ vody na Zemi:
- voda vznikla společně se Zemí, když mladá planeta shromažďovala hmotu bohatou na těkavé látky,
- převážná část vody dorazila později prostřednictvím komet a asteroidů v podobě kosmického „bombardování".
Pokud lze do jádra vtěsnat vodík v množství odpovídajícím desítkám oceánů, výrazně lépe to odpovídá prvnímu scénáři. Ten předpokládá, že v počátcích dějin Země existoval rozsáhlý 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 dopadů komet, by měl vodík dominovat spíše ve vnějších vrstvách – v kůře a plášti. Výsledky experimentu však naznačují značný podíl vodíku přímo v jádru. To je silný argument pro to, že Země si „přinesla" většinu své vody již při svém zrodu.
Co takovýto vodík mění v našem pohledu na Zemi
Pokud jádro obsahuje významné množství vodíku, je nutné přehodnotit mnohé dosavadní modely. 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, jakým funguje geodynamo zodpovědné za magnetické pole Země.
Magnetické pole plní úlohu štítu chránícího povrch před slunečním větrem a vysokoenergetickými částicemi. Každá změna v modelech jádra tedy ovlivňuje i předpovědi týkající se stability tohoto ochranného „obalu" v dlouhodobém časovém horizontu.
Jak to souvisí s hledáním planet vhodných pro život
Nové výsledky mají význam nejen pro naši planetu. Astronomové stále lépe odhalují skalnaté exoplanety, ale velmi obtížně se odhaduje, zda mají vodu a zda ji dokáží udržet po miliardy let. Pokud se voda může z velké části „schovat" do jádra, je třeba při modelování vzdálených planet tento skrytý rezervoár zohledňovat.
To může změnit odhady, kolik nebeských těles má skutečně šanci dlouhodobě udržet oceány na svém povrchu. Planeta bez vody v kůře nemusí být vůbec suchá – část zásoby mohla přejít hluboko do nitra, jak nejnovější data naznačují v případě Země.
Nejistoty a další kroky ve výzkumu
Autoři výzkumu sami zdůrazňují, že jejich výsledek je třeba považovat za první, ještě nepříliš ostrý obraz. Experimenty při tak extrémních podmínkách jsou vždy zatíženy rizikem chyb: vzorky jsou mikroskopické a sebemenší nepřesnost v kalibraci laseru nebo čidel může výsledek posunout.
Proto již jiné týmy geofyziků ohlásily vlastní experimenty s různými složeními slitiny železa, odlišnými teplotami a tlaky. Pokud nezávislá měření ukáží podobné hodnoty obsahu vodíku, hypotéza o „vodíkatém" jádru výrazně posílí svoji věrohodnost.
Pro laiky může znít překvapivě, že o nejhlubších vrstvách Země stále víme tak málo. Hranice mezi pláštěm a jádrem leží dál než jakékoli mořské dno a tamní podmínky nelze dokonale reprodukovat. Právě proto se geofyzika opírá o celou škálu různých metod, které se navzájem ověřují nebo korigují.
Co si z toho může vzít běžný čtenář
Otázka vodíku v jádru propojuje několik témat, o nichž se mluví čím dál víc: klimatická změna, dlouhodobá stabilita podmínek na Zemi nebo šance na život mimo Sluneční soustavu. To, jak planeta shromažďuje a uchovává vodu, rozhoduje o tom, zda dokáže po miliardy let udržovat oceány, atmosféru a nakonec i biosféru.
V praxi lze na takovýto výzkum nahlížet jako na příběh o „pojištění" 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 planety za určitých podmínek pomalu doplňovat vrchní vrstvy novými dávkami vody.
Pro vědu je to výzva, aby ještě více propojovala data z fyziky zemského nitra, astronomie a planetární chemie. Čím lépe rozumíme tomu, jak naše planeta hospodaří s vodou od jádra po atmosféru, tím snáze lze posoudit, kde mimo Zemi by mohly existovat podobné, dlouhotrvající oázy příznivé pro život.
