Hluboко pod našima nohama se podle nových výzkumů ukrývá gigantické zásobárna vodíku, která mění pohled na původ vody. Vědci poprvé spočítali, kolik vodíku může být uvězněno přímo v zemském jádře.
Geofyzikové po léta tušili, že jádro Země obsahuje kromě železa a niklu také lehčí prvky. Teprve nejnovější laboratorní experimenty ale ukázaly překvapivý výsledek: vodíku tam může být tolik, že by stačil na 9 až 45 oceánů srovnatelných s dnešním Světovým oceánem.
Tato zjištění mají dalekosáhlé důsledky nejen pro pochopení naší planety, ale i pro hledání obyvatelných světů mimo Sluneční soustavu. Pokud dokáže Země ukrýt většinu své vody hluboko v nitru, podobný mechanismus může fungovat i u vzdálených skalnatých exoplanet.
Vědění o vnitřku planety je poměrně čerstvé. Teprve rozvoj seismologie na začátku dvacátého století umožnil „nahlédnout“ Zemi v řezu. V třicátých letech minulého století odhalila analýza seismických vln, že v centru se nachází pevná koule kovu obklopená tekutou vrstvou – vnitřní a vnější jádro.
Jádro Země: od tajemství k podrobným modelům
Analýza rychlosti seismických vln umožnila výpočet hustoty těchto hlubokých zón. Když vědci porovnali tato data se složením železných meteoritů, vyšel celkem jednoduchý obraz: jádro se skládá hlavně ze železa a niklu. Postupem času ale vyšlo najevo, že to nestačí k vysvětlení naměřených hodnot hustoty. Chybělo takzvané „něco lehčího“.
Od šedesátých let dvacátého století geofyzikové podezřívali, že jádro musí obsahovat také lehké prvky: síru, křemík, kyslík, uhlík a možná vodík. Problém spočívá v tom, že se k jádru nedá dostat přímo, takže vše závisí na nepřímých indiciích a velmi citlivých měřeních.
Vodík je nejlehčí a nejmenší ze všech prvků. Proniká minerály, snadno se přemísťuje a těžko se zachycuje v měřeních. V průzkumu struktury Země působí jako šum ve slabých datech: jednotlivá procenta nebo zlomky procent hmotnosti dělají obrovský rozdíl, ale přesný odhad je obtížný.
Proč je vodík v jádře tak těžko zachytitelný
K tomu přichází ještě jeden problém: všechna 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 „kousky rané Sluneční soustavy“
- tomografii s atomovou sondou pro analýzu složení materiálu
- simulace v diamantových kovadlinkách při extrémních podmínkách
Z tak rozptýlených zdrojů je třeba složit ucelený obraz. Každý nový experiment, který alespoň trochu lépe napodobuje podmínky panující tři až pět tisíc kilometrů pod námi, má zlatou cenu.
V nejnovějších výzkumech se geofyzikové rozhodli přistoupit k hádance přímo: vzali slitinu železa odpovídající složením jádru a materiál imitující pradávný magmatický oceán a ověřili, jak se mezi nimi rozdělují prvky při extrémních podmínkách.
Jak vědci znovu vytvořili jádro Země v laboratoři
K tomu potřebovali diamantové kovadlinky – speciální zařízení, ve kterých dva protilehlé diamanty stlačují mikroskopické vzorky na tlaky měřené ve stovkách gigapascalů. Navíc vědci zahřáli materiál laserem na přibližně 4800 stupňů Celsia, tedy teploty blízké těm v jádře naší planety.
V experimentu byly klíčové dva komponenty: slitina železa s niklem a příměsí křemíku představující kovovou část jádra a křemičitanový materiál napodobující pradávný plášť planety. Po ustálení podmínek použili výzkumníci techniku zvanou tomografie s atomární sondou. Ta umožňuje „vidět“ složení vzorku téměř atom po atomu ve třech rozměrech.
Díky tomu lze spočítat, kolik přesně je křemíku, kyslíku a vodíku v kovové části a kolik v křemičitanové. Z získaných dat vyplývá, že jádro může obsahovat od 0,07 do 0,36 procenta hmotnosti ve formě vodíku. Zní to jako maličkost, ale v měřítku celé planety jde o obrovské číslo.
Kolik vodíku se vejde do jádra Země
Tým vypočítal, že to odpovídá množství vodíku postačujícímu k vytvoření 9 až 45 oceánů o objemu srovnatelném s dnešním Světovým oceánem. Zlomek procenta vodíku v jádře se tak překládá na zásobu vody větší než všechny současné oceány dohromady.
Tato „skrytá“ zásoba samozřejmě neznamená, že někde pod námi čvachtají moře. V hlubinách planety je vodík vázán ve struktuře kovů pod gigantickým tlakem. Jde o to, že v měřítku celé Země právě tolik vodíku proniklo do jádra během formování planety.
Od let fungují dvě hlavní hypotézy vysvětlující, odkud se na Zemi vzala voda. První předpokládá, že voda vznikla společně se Zemí, když mladá planeta soustřeďovala hmotu bohatou na těkavé sloučeniny. Druhá tvrdí, že hlavní část vody dorazila později s kometami a asteroidy ve formě „deště“ kosmických projektilů.
Pokud se do jádra vejde vodík v množství odpovídajícím desítkám oceánů, mnohem lépe to pasuje k prvnímu scénáři. Ten předpokládá, že na počátku historie Země existoval obrovský oceán magmatu, který už obsahoval vodík a kyslík. Část této směsi v době oddělování jádra a pláště pronikla do nejhlubších partií planety.
Odkud se vzala voda na Zemi: dva konkurenční scénáře
Ve scénáři, kdy voda pochází hlavně z pozdějších dopadů komet, by měl vodík dominovat spíše ve vnějších vrstvách – v kůře a plášti. Výsledky experimentu ale naznačují značný podíl vodíku v samotném jádru. To je silný argument pro to, že si Země „odnesla“ většinu své vody už ve fázi zrodu.
Pokud jádro obsahuje významné množství vodíku, je třeba přezkoumat mnoho 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 i způsob, jakým funguje geodynamo odpovědné za magnetické pole Země.
Magnetické pole plní roli štítu chránícího povrch před slunečním větrem a vysokoenergetickými částicemi. Každá změna v modelech jádra tedy ovlivňuje i předpovědi týkající se stability této ochranné „bubliny“ v dlouhém časovém měřítku.
Jak to souvisí s hledáním planet vhodných pro život
Nové výsledky mají význam nejen pro naši planetu. Astronomové stále lépe detekují skalnaté exoplanety, ale velmi těžko odhadují, zda mají vodu a zda ji dokážou udržet miliardy let. Pokud se může voda z velké části „schovat“ v jádře, je třeba počítat s takovým skrytým rezervoárem při modelování vzdálených planet.
To může změnit odhady, kolik nebeských těles má skutečně šanci dlouhodobě udržet oceány na povrchu. Planeta bez vody v kůře nemusí být vůbec úplně suchá – část zásoby mohla proniknout hluboko do středu, jak nejnovější data naznačují v případě Země.
Autoři studií sami zdůrazňují, že jejich výsledek je třeba brát jako první, ještě neostrý obraz. Experimenty za tak extrémních podmínek jsou vždy zatíženy rizikem chyb: vzorky jsou mikroskopické, každá chyba v kalibraci laseru nebo senzorů může posunout výsledek.
Proto už jiné týmy geofyziků avizují vlastní pokusy s různým složením slitiny železa, jinými teplotami a tlaky. Pokud nezávislá měření ukážou podobné hodnoty obsahu vodíku, hypotéza o „vodnatém“ jádře výrazně posílí.
Co z toho může vytěžit běžný čtenář
Otázka vodíku v jádře spojuje několik témat, o kterých se mluví stále častěji: změnu klimatu, dlouhodobou stabilitu podmínek na Zemi nebo šance na život mimo Sluneční soustavu. To, jak planeta hromadí a uchovává vodu, rozhoduje, zda dokáže udržovat oceány, atmosféru a nakonec biosféru po miliardy let.
V praxi se na takové výzkumy dá dívat jako na příběh o „pojištění“ Země. Pokud je část vody ukryta hluboko, planetární systém je odolnější vůči ztrátě vody z povrchu například kvůli intenzivnějšímu záření hvězdy. Na druhou stranu velký rezervoár uprostřed může za určitých podmínek pomalu zásobovat horní vrstvy novými dávkami vody.
Pro vědu to je povzbuzení, aby ještě silněji propojovala data z fyziky nitra Země, astronomie a planetární chemie. Čím lépe rozumíme tomu, jak naše planeta spravuje vodu od jádra po atmosféru, tím snáze můžeme odhadnout, kde mimo Zemi mohou existovat podobné dlouhodobé oázy příznivé životu.
