6 Minutės
Įsivaizduokite dažniausią Visatos elementą užrakintą ten, kur nei kibiras, nei vamzdis, nei zondas niekada nepasieks. Iš paviršiaus Žemė atrodo pilna vandens ir akivaizdaus vandenilio — vandenynai, lietus ir organinės molekulės yra visur. Tačiau ką, jei didžioji planetos vandenilio dalis niekada neišėjo iš gilaus vidaus? Nauji laboratoriniai tyrimai rodo, kad branduolys gali būti žymiai didesnis vandenilio saugykla, nei manyta anksčiau, ir ši galimybė keičia mūsų supratimą apie tai, iš kur atsirado Žemės vanduo ir kaip planeta vystėsi per geologinį laiką.
Trumpai: vandenilis lengvai maišosi su lydytu geležimi esant ekstremalioms sąlygoms. Išsamiau: sąlygose, artimų ankstyvojo Žemės branduolio aplinkai, vandenilis ištirpsta geležies turinčiuose lydiniuose ir jungiasi su siliciu bei deguonimi, efektyviai įstrigdamas metaliniame planetos centre. Šis procesas galėjo paslėpti milžiniškus kiekio šio elemento — ne tik pėdsakus, bet net keliasdešimt kartų daugiau vandenilio, nei yra visuose pasaulio vandenynuose.
Branduolio sąlygų atkūrimas mėgintuvėlyje
Tyrėjų grupė, vadovaujama Dongyang Huang iš Peking universiteto, naudojo deimantinį presą (diamond anvil cell), kad suspaustų mažus mėginius iki maždaug 111 gigapaskalių (GPa) slėgio ir sušildytų juos iki maždaug 5 100 Kelvino. Tokių slėgių ir temperatūrų diapazonas yra arti giliųjų Žemės sluoksnių parametrų — išorinis branduolys prasideda maždaug ties 136 GPa, o branduolio temperatūros manoma svyruoja tarp maždaug 5 000 ir 6 000 K. Presavimo kameroje įhidruoto silikatinio stiklo masyve buvo įterpta maža geležinė sfera. Esant dideliam suspaudimui ir kaitinimui mėginys ištirpo, komponentai sumaišėsi, o geležis, silicis, deguonis ir vandenilis elgėsi taip, kaip galėjo elgtis planetos formavimosi stadijose, kai medžiaga buvo ištirpusi ir aktyvi.
Tai nėra tobula replika: deimantinio preso eksperimentai paprastai trunka tik kelias sekundes ar minutes, o pasiekti maksimumo slėgiai šiek tiek atsiliko nuo branduolio giliųjų sluoksnių vertybių. Vis dėlto net tokia trumpalaikė „langinė“ pakanka stebėti chemines reakcijas, elementų pasiskirstymą ir fazinius perėjimus, kurie svarbiai informuoja geokeminius ir geofizinius modelius. Eksperimento metu vandenilis perėjo į geležinį lydinį ir jungėsi su siliciu bei deguonimi — tai gali būti analogas procesams, kurie milijardus metų anksčiau leido vandeniliui įstrigti formuojantis Žemės branduoliui.
Geofizikai jau ilgą laiką įtarinėja, kad branduolyje yra lengvųjų elementų, nes seisminiai matavimai rodo, jog jis yra mažesnio tankio nei gryna geležis. Remiantis seismologiniais duomenimis ir geocheminiais modeliais, silicis jau įtariamas sudarantis maždaug 2–10 procentų branduolio pagal masę. Panaudodami šiuos silicijos kiekio spėjimus ir laboratorijoje stebėtus vandenilio–silicio ryšius, Huang ir kolegos apskaičiavo, jog vandenilis gali sudaryti maždaug 0,07–0,36 procento branduolio masės.
Skaičiai yra svarbūs. Šis procentinis svyravimas atitinka maždaug 1,35–6,75 sekstilijono (1,35 × 10^21 – 6,75 × 10^21) kilogramų vandenilio — tai yra apie 9–45 kartus daugiau vandenilio nei yra užrakinta Žemės vandenynuose. Kitaip tariant, planeta iš toli gali atrodyti sausa, tuo tarpu giliai viduje ji slepia milžinišką metalinį lengviausio elemento rezervuarą. Šie skaičiai kelia svarbius klausimus apie volatilių paskirstymą ir planetos evoliuciją.
Kodėl tai svarbu: kilmė, ciklai ir planetų palyginimai
Sequestruotas vandenilis keičia kelias narratyvas vienu metu. Pirma: Žemės vandens kilmė. Jei tiek vandenilio buvo įfiksuota branduolyje akrecijos metu, tai reikštų, jog reikšminga dalis Žemės vandens galėjo būti atnešta ir įkalinta planeto formavimosi stadijose, o ne daug vėliau atkeliaujant su lediniais kometų smūgiais. Toks scenarijus perrašytų laiko grafiką, kada į paviršių pasirodė atmosferos ir vandenynai, ir turėtų pasekmių diskusijoms apie ankstyvąją planetinę klimato ir geocheminę raidą.
Antra: branduolio cheminė sudėtis ir dinamika. Vandenilis, įterptas į geležinius lydinius, keičia tankį, lydimosi ir kietėjimo charakteristikas bei elektrinį laidumą — visi šie veiksniai yra tiesiogiai susiję su tuo, kaip generuojamas ir palaikomas Žemės magnetinis laukas. Vandenilio turintis branduolys galėtų modifikuoti terminių ir cheminės konvekcijos modelius išoriniame branduolyje, o tai savo ruožtu keistų mūsų supratimą apie geomagnetinės istorijos evoliuciją ir magnetinio lauko ilgaamžiškumą.
Trečia: platesnis planetinis kontekstas. Jei vandenilis lengvai įtraukiamas į metalinius branduolius susiformavimo metu, tuomet uolinės planetos, iš toli atrodžiančios sausos, taip pat gali slėpti vidinius volatilių rezervo sluoksnius. Tai turi didelės reikšmės egzoplanetų tyrimams: interpretuodami tolimas spektras ir masės/tūrio duomenis galime nebeatsižvelgti tik į paviršiaus požymius, bet ir į galimus giluminius rezervuarus, kurie leistų susiformuoti povandeniniams vandenims ar įtakotų geochemines procesus, svarbius potencialiai gyvybei.
Huang straipsnyje pateikiami teiginiai yra atsargūs ir apmąstyti. Mokslininkai pažymi, kad galutinėms išvadoms patvirtinti reikės daugiau eksperimentų, kurie apimtų pilną branduolio slėgių ir temperatūrų spektrą, patikslintų elementų pasiskirstymo parametrus (partition coefficients) ir suteiktų geresnių apribojimų apie ankstyvąją Žemės akrecijos cheminę sudėtį. Tačiau rezultatas kelia stiprią prielaidą: vandenilis, kurį randame vandenynuose ir uolienose, gali būti tik nedidelė tikrojo Žemės inventoriaus dalis.
Ekspertų įžvalga
„Jei šie rezultatai pasitvirtins, jie privers peržiūrėti volatilių balanso modelius planetų formavimosi metu,“ sako dr. Leah Rivera, planetų geochemikė iš Arizonos universiteto. „Vandenilis branduolyje keičia ne tik tai, iš kur vanduo atsiranda, bet ir kaip planetos per laiką praranda arba išlaiko volatilus. Tai yra fundamentalu vertinant gyvenamumą.“
Bus atliekama daugiau laboratorinių tyrimų. Tyrėjai sieks pasiekti aukštesnius slėgius ir temperatūras, ištirti skirtingas lydinių kompozicijas ir patikslinti, kaip vandenilis, silicis ir deguonis sąveikauja branduolio sąlygose. Lygiagrečiai seismologija, geomagnetizmas ir aukšto slėgio mineralogija testuos vandenilio turinčio branduolio pasekmes mūsų planetos dinamikai. Planetos paslaptys slypi giliai, tačiau su kiekvienu nauju eksperimentu uždanga šiek tiek pakyla ir vidinė Žemės cheminė sudėtis tampa aiškesnė.
Be to, šie tyrimai skatina persvarstyti, kaip mes modeliuojame akrecijos procesus ir volatilių evoliuciją ankstyvoje planetos istorijoje. Pavyzdžiui, reikia atkreipti dėmesį į tokius parametrus kaip deguonies ir vandenilio fiksacija metaliniuose faziuose, elementų dalijimosi koeficientai skirtingose temperatūrose ir slėgiuose, taip pat į energetinius aspektus, susijusius su metalinės fazės diferenciacija. Tokie niuansai gali turėti tiesioginį poveikį modeliams, kurie paaiškina, kada ir kaip susiformavo globalūs vandenynai ir planeta įgavo sąlygas palaikyti ilgalaikį klimato stabilumą.
Galiausiai, implikacijos nėra tik teorinės: jei didelis kiekis vandenilio yra įstrigęs branduolyje, tai gali turėti įtakos mūsų techninėms prognozėms apie Žemės termodinamiką, magnetosferos evoliuciją ir net ateities geofizinių tyrimų prioritetams. Pavyzdžiui, geonešio ir magnetometriniai duomenys gali būti peržiūrėti turint omenyje galimą papildomą lengvųjų elementų komponentą, o laboratoriniai bandymai su platesniu kompozicijų spektru gali suteikti geresnius apribojimus seismologiniams modeliams.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą