Jak velkým množstvím vody se naše planeta může pochlubit? Odpověď možná neleží jen na jejím povrchu. Nový výzkum naznačuje, že v kovovém jádru planety může být ukryté obrovské množství vodíku..

A pokud by se tento vodík spojil s kyslíkem, vzniklo by z něj tolik vody, že by mnohonásobně překročila objem současných oceánů. Jestliže se tyto závěry potvrdí, celkem zásadně to změní představu o tom, odkud se vlastně na Zemi vzala voda.

Zemské jádro je obrovská koule složená hlavně ze železa a niklu. Už dlouho se ale ví, že jeho hustota není tak vysoká, jak by odpovídalo čistému kovu. Geofyzici tomu říkají hustotní deficit. To by znamenalo, že k jádru musí být něco přimíchané. Něco, čeho není málo a co je lehké.

Jedním z hlavních podezřelých je už nějakou dobu vodík. Problém je, že se nejjednodušší prvek vesmíru extrémně špatně měří. Přímé vzorky z hloubky přes 2900 kilometrů samozřejmě neexistují, takže vědci musí kombinovat laboratorní experimenty, modely a geofyzikální data.

Nová studie z dílny Vysoké technické školy v Curychu publikovaná v časopise Nature Communications přinesla zatím nejpřesvědčivější odhad. Podle výpočtů může vodík tvořit asi 0,07 až 0,36 procenta hmotnosti zemského jádra.

To se může zdát jako zanedbatelná hodnota, ale vzhledem k obrovské hmotnosti jádra jde o gigantické množství.

Protože se do jádra nikdo nedostane, museli vědci jeho podmínky vytvořit v laboratoři. Použili zařízení zvané diamantová kovadlina, které dokáže materiál stlačit na tlak stovek gigapascalů a zahřát ho na tisíce stupňů.

Právě takové extrémní prostředí panuje ve vnějších i hlubších částech zemského nitra, kde tlak několikanásobně převyšuje vše, co lze běžně vytvořit v průmyslových podmínkách. Princip je vlastně překvapivě jednoduchý.

Dva malé, extrémně tvrdé diamanty stlačí mezi sebou mikroskopický vzorek materiálu, často menší než zrnko písku. Ten je pak vystaven nejen obrovskému tlaku, ale i vysoké teplotě, kterou vědci vytvářejí pomocí laserového zahřívání.

V experimentu vědci pracovali s železnými slitinami obsahujícími vodík, kyslík a křemík, což jsou prvky, které se podle geochemických modelů mohly při vzniku Země dostávat do jejího kovového jádra. Tyto směsi pak vystavili podmínkám připomínajícím období, kdy byla mladá planeta ještě roztavená a jednotlivé prvky se v ní postupně rozdělovaly mezi plášť a jádro.

Podstatnou roli sehrála i analýza vzniklých struktur pomocí moderních mikroskopických metod. Vědci dokázali sledovat rozmístění atomů ve slitině na nanometrové úrovni a určit, kolik vodíku se může v železe stabilně rozpustit.

K tomu využili například atomovou sondovou tomografii, která umožňuje doslova rozebrat vzorek atom po atomu a zrekonstruovat jeho chemické složení ve třech rozměrech.

Právě tato detailní měření poskytla dosud nejpřesnější odhad množství vodíku, které by mohlo být v zemském jádru přítomné. Ukázalo se, že vodík se v extrémních podmínkách nevyskytuje samostatně, ale váže se na železo společně s dalšími lehčími prvky, zejména křemíkem a kyslíkem.

Poměr těchto složek pak vědcům umožnil odvodit, kolik vodíku se mohlo dostat do jádra už v době, kdy se Země formovala z prachu a planetárních zárodků. „Odpovídá to zhruba devíti až pětačtyřiceti světovým oceánům,“ poznamenal vedoucí studie Motohiko Murakami.

To je sice velké rozpětí, ale i tak ukazuje na obrovské množství potenciální vody.

Výsledek má zajímavý dopad na jednu z nejdůležitějších otázek planetární vědy. Dlouho se předpokládalo, že většina vody se na Zemi dostala až později prostřednictvím komet. Mladá Země byla totiž v době svého vzniku extrémně horká, její povrch byl pokrytý oceány magmatu a jakákoliv voda by se v takovém prostředí snadno vypařila do vesmíru.

Proto se zdálo logické, že oceány vznikly až později, když se planeta ochladila a začala na ni dopadat tělesa bohatá na led.

Tuto představu podporovala i analýza některých meteoritů a kometárních jader, které obsahují značné množství vody nebo vodíku. V devadesátých letech a na začátku nového tisíciletí se proto rozšířila hypotéza, že oceány na Zemi jsou do velké míry výsledkem pozdního bombardování planetky a kometami, které přinesly vodu z chladnějších oblastí Sluneční soustavy.

Nové výsledky ale naznačují, že tento příběh měl mnohem více peripetií. Pokud je v zemském jádru skutečně tak velké množství vodíku, znamená to, že alespoň část suroviny pro vznik vody byla přítomná už během formování planety.

Vodík se mohl dostat do kovového jádra v době, kdy se asi před 4,6 miliardy let Země skládala jen z prachu a kamenných úlomků. V té době probíhaly extrémně energetické srážky, při nichž se materiál planety roztavil a jednotlivé prvky se začaly rozdělovat mezi plášť a jádro.

Během tohoto procesu mohly lehké prvky, včetně vodíku, pronikat do kovového železa a poté být uzamčeny hluboko v nitru planety. Pokud se tak skutečně stalo, jádro by mohlo fungovat jako obrovský rezervoár vodíku, který byl na Zemi přítomný od samého začátku její historie.

Geochemici zároveň upozorňují, že část tohoto vodíku se mohla v průběhu geologických dějin postupně uvolňovat do pláště. Tam by následně reagoval s kyslíkem v minerálech a vytvářel molekuly vody. Ty by se následně mohly dostávat do magmatu a spolu s vulkanickou činností pronikat až na povrch planety.

Takový scénář by znamenal, že oceány nejsou jen darem z kosmického prostoru, ale také výsledkem chemických procesů probíhajících hluboko uvnitř Země.

Zásoby vodíku v jádru by mohly mít význam i pro současné procesy na Zemi. Pokud se část tohoto vodíku postupně uvolňuje do pláště, může reagovat s kyslíkem a vytvářet vodu. Ta pak usnadňuje tavení hornin a podporuje vznik magmatu.

Voda totiž výrazně snižuje teplotu, při které se horniny začínají tavit, takže i malé množství může mít velký vliv na chování materiálu hluboko pod zemskou kůrou.

Vodík může navíc ovlivňovat i fyzikální vlastnosti materiálu v hlubokých vrstvách planety. Přítomnost lehkých prvků totiž mění hustotu, elektrickou vodivost i způsob, jakým se v nitru Země šíří seizmické vlny.

Právě na základě těchto vln se vědci snaží nepřímo rekonstruovat složení a strukturu planetárního nitra. Pokud je v jádru více vodíku, než se tušilo, může to pomoci vysvětlit některé dlouhodobé nesrovnalosti mezi seismickými modely a laboratorními experimenty.