Zo zemského jadra uniká materiál starý miliardy rokov. Vedci odhalili prekvapivý proces

Hlboko pod našimi nohami sa odohráva proces, o ktorom vedci ešte donedávna vedeli len veľmi málo. Zo zemského jadra sa podľa nového výskumu môže postupne uvoľňovať vodík, ktorý sa do vnútra planéty dostal už počas jej vzniku. Tento materiál je starý približne 4,5 miliardy rokov a môže niesť chemické stopy z čias, keď sa formovala celá Slnečná sústava. Objav naznačuje, že zemské jadro nie je takým izolovaným zásobníkom hmoty, ako by sa mohlo zdať.

Nová vedecká štúdia publikovaná v odbornom časopise Science Advances prináša nové vysvetlenie záhadného chemického zloženia hornín pochádzajúcich z hlbokého zemského plášťa. Medzinárodný výskumný tím pod vedením Yu Zhanga skúmal, či sa vodík a materiál obsahujúci vodu môžu postupne presúvať zo zemského jadra do okolitého plášťa. Výsledky naznačujú, že výmena hmoty medzi týmito dvoma vrstvami mohla prebiehať počas značnej časti geologickej histórie našej planéty.

Zemské jadro ukrýva materiál z čias vzniku planéty

Zem vznikla približne pred 4,54 miliardy rokov z plynu, prachu a menších vesmírnych telies, ktoré obiehali okolo mladého Slnka.

Počas jej formovania dochádzalo k mohutným zrážkam a uvoľňovaniu obrovského množstva energie.

Mladá Zem bola preto mimoriadne horúca a značnú časť jej povrchu pravdepodobne pokrýval oceán roztavenej horniny.

Práve v tomto období sa začali oddeľovať jednotlivé vrstvy planéty.

Ťažšie prvky, predovšetkým železo a nikel, klesali smerom do stredu a vytvárali jadro. Ľahšie horninové materiály zostávali vo vyšších vrstvách, z ktorých sa postupne sformovali plášť a kôra.

Vedci predpokladajú, že spolu s kovmi sa do jadra mohli dostať aj niektoré ľahké prvky vrátane vodíka.

Časť tohto vodíka mohla pochádzať z veľmi skorého obdobia vývoja Slnečnej sústavy.

Jeho chemická a izotopová charakteristika tak môže uchovávať informácie o podmienkach, ktoré panovali pri vzniku našej planéty.

Nový výskum naznačuje, že takýto materiál nemusí zostať navždy uzavretý v zemskom jadre.

Čo vlastne uniká zo zemského jadra?

Keď sa povie, že zo zemského jadra uniká voda, môže to vyvolať predstavu obrovských podzemných jazier alebo prúdov tekutiny.

Takto však tento proces nefunguje.

V extrémnych tlakoch a teplotách hlbokého vnútra Zeme sa vodík môže nachádzať v kovových a minerálnych materiáloch, prípadne byť súčasťou zlúčenín obsahujúcich vodu.

Vedci skúmajú možnosť, že sa vodík z jadra postupne presúva do plášťa a mení jeho chemické zloženie.

Nejde teda o únik bežnej kvapalnej vody, akú poznáme z oceánov alebo podzemných zásobníkov.

Dôležitá je predovšetkým chemická výmena medzi kovovým jadrom a horninovým plášťom.

Tieto dve vrstvy oddeľuje hranica nachádzajúca sa približne 2 900 kilometrov pod zemským povrchom.

Napriek extrémnym podmienkam nemusí predstavovať dokonale nepriepustnú bariéru.

Pri veľmi vysokých teplotách a tlakoch môžu niektoré prvky medzi jednotlivými materiálmi prechádzať.

A práve vodík by mohol byť jedným z nich.

Stopy záhadného materiálu vedci hľadajú v sopečných horninách

Ako však môžu vedci skúmať procesy, ktoré prebiehajú tisíce kilometrov pod zemským povrchom?

Do zemského jadra sa zatiaľ nedokázala dostať žiadna vrtná technika.

Vedci preto využívajú nepriame dôkazy.

Jedným z najdôležitejších zdrojov informácií sú sopečné horniny, ktorých magma môže pochádzať z veľmi hlbokých oblastí zemského plášťa.

Zaujímavé sú najmä bazalty oceánskych ostrovov, napríklad z Islandu alebo Baffinovho ostrova v Kanade.

Niektoré z týchto hornín obsahujú nezvyčajné pomery izotopov, ktoré môžu poukazovať na prítomnosť veľmi starého materiálu.

Izotopy sú rôzne formy toho istého chemického prvku. Majú rovnaký počet protónov, ale odlišný počet neutrónov.

Vďaka tomu sa líšia svojou hmotnosťou a môžu sa mierne odlišne správať pri fyzikálnych a chemických procesoch.

Práve pomery izotopov umožňujú vedcom sledovať pôvod materiálu a rekonštruovať procesy, ktoré sa odohrali pred miliardami rokov.

V prípade nového výskumu zohrávajú dôležitú úlohu izotopy vodíka.

Vodík, hélium a volfrám odhaľujú skrytú históriu Zeme

Vedci už dlhšie pozorujú, že niektoré horniny pochádzajúce z hlbokého plášťa majú nezvyčajné izotopové charakteristiky.

Zaujímavý je napríklad výskyt hélia-3.

Tento izotop sa spája s veľmi starými zásobníkmi materiálu vo vnútri Zeme a môže poskytovať informácie o látkach, ktoré sa zachovali od raných štádií jej vývoja.

Ďalšou dôležitou stopou sú izotopy volfrámu.

Ich pomery môžu pomáhať skúmať dávne oddeľovanie kovového jadra od horninových vrstiev a prípadné neskoršie miešanie materiálu.

Nová štúdia sa zamerala predovšetkým na vodíkové izotopy a ich možné prepojenie s týmito ďalšími chemickými stopami.

Kombinácia viacerých izotopových ukazovateľov môže vedcom pomôcť rozlíšiť, či nezvyčajný materiál v plášti pochádza z jeho najstarších častí, alebo bol neskôr ovplyvnený výmenou so zemským jadrom.

Samotná prítomnosť určitého izotopu však ešte automaticky nedokazuje, že materiál unikol priamo z jadra.

Dôležité je, či pozorované chemické zloženie zodpovedá fyzikálnym a geochemickým modelom takéhoto procesu.

Počítačové modely ukázali, že staré vysvetlenie nemusí stačiť

Výskumníci sa pokúsili zrekonštruovať správanie vodíka počas formovania mladej Zeme.

Využili pritom výpočtové modely a metódy podporené strojovým učením, ktoré umožňujú skúmať vlastnosti materiálov v extrémnych podmienkach.

Zaujímalo ich, ako sa vodík rozdeľoval medzi kovové a silikátové materiály a čo sa s ním mohlo diať po vzniku zemského jadra.

Jedna z doterajších možností predpokladala, že zvláštne izotopové zloženie hlbokého plášťa je iba pozostatkom dávneho obdobia, keď sa ochladzoval a tuhol prvotný magmatický oceán.

Nové výsledky však naznačujú, že takéto vysvetlenie nemusí byť úplné.

Izotopové charakteristiky pozorované v hlbokom plášti môžu podľa autorov odrážať aj neskorší prísun vodíka z jadra.

To by znamenalo, že chemický vývoj jednotlivých vrstiev Zeme neprebiehal úplne oddelene.

Jadro a plášť mohli zostať prepojené aj dlho po tom, čo sa planéta sformovala.

Vedci však zatiaľ nepozorovali samotný presun vodíka priamo. Ich záver vychádza z geochemických údajov a modelovania.

Zemské jadro nemusí byť izolované tak, ako sme si mysleli

Predstava, že zemské jadro a plášť si môžu počas miliárd rokov vymieňať materiál, má širší význam.

Zemské jadro sa často opisuje ako obrovská kovová oblasť, ktorá sa nachádza hlboko pod povrchom a je od neho oddelená tisíckami kilometrov hornín.

V skutočnosti však vnútro planéty tvorí zložitý systém.

Zemský plášť sa veľmi pomaly pohybuje, prenáša teplo a jeho materiál sa v priebehu geologických období premiešava.

Na hranici jadra a plášťa zároveň existujú výrazné rozdiely v teplote, hustote aj chemickom zložení.

Tieto podmienky môžu ovplyvňovať prenos tepla a správanie jednotlivých chemických prvkov.

Ak sa potvrdí, že vodík dlhodobo prechádza z jadra do plášťa, vedci budú musieť tento proces dôslednejšie zohľadniť pri rekonštrukcii chemického vývoja Zeme.

Mohol by totiž ovplyvňovať naše predstavy o tom, kde sa vo vnútri planéty nachádza vodík a ako sa jeho zásoby menili v priebehu času.

To však neznamená, že nový výskum dokazuje priamy prísun vody zo zemského jadra do oceánov.

Medzi hlbokým plášťom a povrchovým vodným cyklom existujú ďalšie zložité procesy, ktorých rozsah treba skúmať samostatne.

Môže objav zmeniť naše predstavy o vzniku Zeme?

Najväčší význam štúdie spočíva v tom, že ponúka nové vysvetlenie pôvodu niektorých chemických stôp zachovaných v zemskom plášti.

Ak je interpretácia vedcov správna, časť vodíka, ktorý dnes nachádzame v hlbokých horninových zásobníkoch, nemusela zostať na svojom mieste od vzniku Zeme.

Mohla sa tam dostať postupne zo zemského jadra.

Naša planéta by tak aj po miliardách rokov mohla prenášať medzi svojimi vnútornými vrstvami materiál pochádzajúci z najstaršieho obdobia svojho vývoja.

Na potvrdenie tohto scenára budú potrebné ďalšie experimenty, presnejšie geochemické merania a nové modely správania vodíka pri extrémnych tlakoch a teplotách.

Výsledky však už teraz ukazujú, že zemské jadro nemusí byť iba pasívnym pozostatkom dávneho formovania planéty.

Môže sa podieľať aj na jej dlhodobom chemickom vývoji.

A práve preto sú takéto výskumy dôležité. Pomáhajú vedcom pochopiť nielen to, čo sa deje hlboko pod našimi nohami, ale aj to, ako sa Zem stala planétou, akú poznáme dnes.