45 óceánra elég hidrogén lehet a földmagban

A Világegyetem és a Naprendszer leggyakoribb eleme a hidrogén, azonban nincs arra vonatkozó adatunk, hogy a Föld magjában mennyi lehet belőle. A becslések igen tág határok közti eredményeket adtak, több nagyságrendnyi különbségekkel, mivel nem voltak lehetőségek közvetlen mérésre. Az uralkodó elképzelés az, hogy bolygónk hidrogénben szegény, száraz lehet, emiatt is jöhettek létre azok az elméletek, amelyek a földi víz külső eredetét firtatják.

Ha a Föld „száraz” volt, akkor ugyanis valahonnan érkeznie kellett a víznek – például a Naprendszer külső, jeges régiójában létrejött égitestek becsapódásával. Az új vizsgálatok szerint azonban Földünk eleve egy olyan protoplanetáris korongban jöhetett létre, amelyben sok volt a legkönnyebbik elemből.

Egy svájci kutatócsoport tárta fel a mag keletkezésének lehetséges körülményeit, majd a Nature Communications folyóiratban mutatta be eredményeit. A kísérletben a kutatók egy lézerfűtésű gyémántüllő cellában víztartalmú szilikátkristályt használtak, amelybe egy kis mennyiségű fémes vas került. A szilikát képviselte a földköpenyt, a vas pedig a földmagot.

Ezeket aztán mintegy 5100 Kelvin-fok hőmérsékletre hevítették, a nyomást pedig 111 gigapascalra emelték. Ezek az értékek megfeleltethetők annak az ősi magmaóceánnak, amelyben a földmag és a földköpeny elkülönültek. A kísérletek azt mutatták, hogy a vasolvadékba a szilikátból beleoldódott az oxigén, a szilícium és a hidrogén is, majd az anyag gyors lehűtése során – amelyet a folyamatok „tettenéréshez” használtak – szilíciumot és oxigént tartalmazó nanoszerkezetek csapódtak ki.

A kutatók atomszonda tomográfia (APT) módszerével vizsgálták ezeket a rendkívül kicsiny mintákat. Egy speciális, mindössze 20 nanométeres tű hegyéről atomonként párologtatták el a mintát, és így közvetlenül is sikerült bennük kimutatni, miként kapcsolódtak ezek az atomok a vashoz. Az így elvégzett mérés kimutatta, hogy a szilíciumban és oxigénben gazdag nanoszerkezetekben rengeteg, szilíciumhoz kötött hidrogén is található.

A mérésekkel ennek a szilíciumhoz viszonyított arányát is meghatározták, és úgy találták, hogy nagyjából minden szilíciumatomra jut egy hidrogén. Azt pedig, hogy mennyi szilícium lehet a földmagban, más becslési módszerekből tudjuk: 2-10 tömegszázaléknyi.

A tömegszázalék azt mutatja meg, hogy egy anyag teljes tömegének hány százalékát teszi ki az adott összetevő, függetlenül az atomok vagy molekulák számától. Egyszerűen: 1 tömegszázalék azt jelenti, hogy 100 grammból 1 gramm a kérdéses anyag.

Így arra jutottak, hogy a földmag hidrogéntartalma mindössze 0,07–0,36 tömegszázalék (a hidrogénnél a szilícium közel 28-szor nehezebb). Ez elsőre egészen elenyészőnek tűnik, azonban a földmag óriási tömegű: a bolygó tömegének mintegy harmadát adja, összesen körülbelül 2 × 10²⁴ kilogrammot.

Összehasonlításképpen a földi óceánok teljes vízkészlete 1,4 × 10²¹ kilogramm, azaz 1,4 milliárd gigatonna. Vagyis a mag tömege nagyjából 300 milliárdszor nagyobb az összes óceánénál. Ilyen lépték mellett már az egészen kis hidrogénarány is 9–45 óceánnyi víznek megfelelő mennyiséget jelenthet a mélyben.

Ez azt jelenti, hogy a kísérletek eredménye szerint bolygónk magjában sokkal több hidrogén lehet, mint azt korábban a modellszámítások mutatták, több, mint a földköpeny, a kéreg és a légkör összesített hidrogéntartalma.

Mindez további következményekkel is jár: bolygónk kialakulásakor már nagyrészt jelen kellett legyen ez a hatalmas mennyiségű hidrogén. Vagyis nincs arra se szükség, hogy a földi hidrogén (magyarul a vízkészletek) eredetét vizet tartalmazó égitestek becsapódásával magyarázzuk! Ha pedig ez igaz, akkor a Naprendszer és a Föld kialakulásának körülményeiről is pontosabbá válhatnak elképzeléseink.

Magára a Földre is lehet hatása a mag nagy mennyiségű hidrogéntartalékainak. Például befolyásolhatja a földmágnességet: akár már egészen korán is biztosíthatta azt, hogy fiatal Föld magjában konvektív áramlatok induljanak be, jóval azelőtt, hogy a mágnességet ma biztosító folyamatok elkezdődhettek volna. Ezen felül a hidrogén befolyásolhatta a mag és a köpeny közti anyagátadást.

Az évmilliárdok alatt a magból lassanként megszökő hidrogén befolyással lehet a köpeny dinamikájára, s ezzel a vulkanizmusra is. Az új eredmények lehetővé teszik, hogy pontosítsák a szakemberek azokat a geokémiai modelleket, amelyek a földköpenyt és a víz körforgását írják le. Hozzájárulnak az exobolygók kutatásához is, annak meghatározásához, hogy vajon van-e egy bolygónak fémből álló magja.