کشف 45 اقیانوس هیدروژن در هسته زمین؛ آیا آب از روز تولد سیاره با ما بوده است؟

به گزارش رکنا، زمین در ظاهر سیاره‌ای آبی است، اما بخش بزرگی از داستان آب ممکن است در جایی بسیار دور از سطح زمین پنهان شده باشد؛ در اعماق هسته‌ای که هزاران کیلومتر زیر پای ما قرار دارد.

نتایج یک مطالعه جدید نشان می‌دهد هسته زمین احتمالاً مقدار قابل‌توجهی هیدروژن در خود ذخیره کرده است؛ مقداری که اگر معادل آبی آن را در نظر بگیریم، می‌تواند با ۹ تا ۴۵ اقیانوس زمین برابری کند.

این یافته از یک احتمال مهم پشتیبانی می‌کند: شاید بخش عمده‌ای از مواد اولیه مورد نیاز برای شکل‌گیری آب، از همان ابتدای تولد زمین در سیاره ما وجود داشته است.

آب از فضا به زمین آمد یا از ابتدا اینجا بود؟

یکی از پرسش‌های قدیمی درباره تاریخ زمین این است که آب چگونه به سیاره ما رسید.

یکی از فرضیه‌های مطرح این است که بخشی از آب زمین بعدها توسط دنباله‌دارها و اجرام غنی از یخ به سیاره منتقل شده است.

اما اگر هیدروژن واقعاً از همان مراحل نخست شکل‌گیری زمین وارد هسته شده باشد، داستان می‌تواند متفاوت باشد. در این صورت، زمین ممکن است از همان ابتدا مواد اولیه لازم برای شکل‌گیری آب را در اختیار داشته باشد.

هیلک اشلیختینگ، استاد علوم زمین و فضا در دانشگاه کالیفرنیا، معتقد است چنین یافته‌ای می‌تواند درک دانشمندان از منشأ آب زمین را تغییر دهد.

چرا هسته زمین این‌قدر هیدروژن دارد؟

هسته زمین عمدتاً از آهن تشکیل شده است، اما چگالی آن کمتر از چیزی است که از آهن خالص انتظار می‌رود. بنابراین دانشمندان مدت‌هاست به دنبال شناسایی عناصر سبک‌تری هستند که در کنار آهن در هسته حضور دارند.

یکی از گزینه‌های مهم، هیدروژن است؛ سبک‌ترین عنصر شناخته‌شده که در شرایط شدید اعماق زمین می‌تواند رفتاری متفاوت از سطح زمین داشته باشد.

اما بررسی مستقیم هسته زمین امکان‌پذیر نیست. به همین دلیل، دانشمندان باید شرایط اعماق زمین را در آزمایشگاه بازسازی کنند.

بازسازی شرایط جهنمی مرکز زمین در آزمایشگاه

دونیانگ هوانگ، استاد علوم زمین در دانشگاه پکن، و همکارانش برای بررسی این موضوع، نمونه‌های بسیار کوچکی از آهن و شیشه سیلیکات هیدراته را در دستگاهی موسوم به سلول سندان الماسی قرار دادند.

این مواد تا دمای حدود ۴۸۲۷ درجه سانتی‌گراد گرم شدند و هم‌زمان تحت فشاری حدود ۱۱۱ گیگاپاسکال قرار گرفتند؛ شرایطی که برای شبیه‌سازی محیط بسیار خشن اعماق زمین طراحی شده بود.

هیدروژن به دلیل وزن بسیار کم و قابلیت نفوذ بالا، یکی از دشوارترین عناصر برای انجام چنین آزمایش‌هایی است. پژوهشگران برای بررسی دقیق رفتار آن، از روش‌های پیشرفته تجزیه و تحلیل در مقیاس اتمی استفاده کردند.

هیدروژن چگونه وارد هسته زمین شد؟

نتایج آزمایش‌ها نشان داد که در شرایط مشابه دوران ابتدایی شکل‌گیری زمین، اتم‌های سیلیسیم، اکسیژن و هیدروژن می‌توانند در ارتباط با آهن قرار بگیرند و بخشی از هیدروژن در ساختار مواد تشکیل‌دهنده هسته محبوس شود.

بر اساس محاسبات این تیم، هیدروژن می‌تواند حدود ۰.۰۷ تا ۰.۳۶ درصد جرم هسته زمین را تشکیل دهد.

این درصد در مقیاس سیاره‌ای عدد کوچکی به نظر می‌رسد، اما به دلیل جرم عظیم هسته زمین، مقدار نهایی هیدروژن بسیار قابل‌توجه خواهد بود؛ به اندازه‌ای که معادل آبی آن می‌تواند به ۹ تا ۴۵ اقیانوس برسد.

راز ۴.۵ میلیارد ساله در اعماق زمین

اگر این مدل درست باشد، بخش قابل‌توجهی از هیدروژن موجود در هسته باید در مراحل بسیار ابتدایی شکل‌گیری زمین، حدود ۴.۵ میلیارد سال پیش وارد سیاره شده باشد.

این موضوع می‌تواند به این معنا باشد که مواد اولیه لازم برای شکل‌گیری آب از همان زمان تولد زمین در ساختار آن حضور داشته‌اند و بعدها در چرخه‌های مختلف زمین‌شناختی نقش ایفا کرده‌اند.

البته وجود هیدروژن در هسته به معنای وجود اقیانوس‌های مایع در آنجا نیست. آنچه دانشمندان اندازه‌گیری می‌کنند، مقدار هیدروژن محبوس در مواد اعماق زمین است و تبدیل آن به «معادل آب» یک روش مقایسه‌ای برای درک بزرگی این ذخیره است.

هیدروژن هسته چه ارتباطی با میدان مغناطیسی زمین دارد؟

این داستان فقط به منشأ آب محدود نمی‌شود.

با سرد شدن تدریجی هسته زمین، برخی عناصر شروع به تبلور کردند. این فرآیند می‌تواند به ایجاد جریان‌های همرفتی در هسته بیرونی کمک کند.

حرکت مواد رسانا در هسته، سازوکار ژئودینامو را به وجود می‌آورد؛ فرآیندی که میدان مغناطیسی زمین را تولید می‌کند.

میدان مغناطیسی نیز نقش مهمی در محافظت از زمین در برابر بخشی از ذرات و تابش‌های پرانرژی فضایی دارد و یکی از عوامل مهم در پایداری محیط مناسب برای حیات روی سطح سیاره است.

داستان آب زمین شاید بسیار قدیمی‌تر از آن چیزی باشد که تصور می‌کردیم

اگر نتایج این پژوهش در مطالعات آینده نیز تأیید شود، ممکن است بخشی از داستان آب زمین را نه در دنباله‌دارهایی که بعدها به سیاره برخورد کردند، بلکه در لحظات نخست شکل‌گیری خود زمین جست‌وجو کنیم.

در این صورت، اقیانوس‌هایی که امروز سطح سیاره را پوشانده‌اند، شاید تنها بخش قابل مشاهده داستانی بسیار قدیمی باشند؛ داستانی که بخشی از آن در اعماق هسته زمین، از حدود ۴.۵ میلیارد سال پیش تاکنون پنهان مانده است.

این پژوهش در نشریه Nature Communications منتشر شده است.