Vodik u nekim vulkanskim stijenama upućuje na to da Zemljina jezgra postupno otpušta materijal zarobljen još pri nastanku planeta, prije oko 4,5 milijardi godina. Novo istraživanje pokazuje da se neobičan omjer njegovih izotopa teško može objasniti samo hlađenjem i skrućivanjem rane Zemlje.
Zaključak proizlazi iz istraživanja o kemijskoj razmjeni između metalne jezgre i stjenovitog plašta koji je okružuje. Znanstvenici su provjerili može li skrućivanje drevnog oceana magme samo po sebi u dubokom plaštu stvoriti zalihe vodika s izotopnim sastavom kakav je izmjeren u pojedinim lavama. Prema njihovu modelu, ne može: za izmjerene razlike potrebno je drugo objašnjenje.
Yu Zhang i suradnici u radu objavljenom 9. listopada u časopisu Science Advances zaključuju da nalazi najbolje odgovaraju postupnom prijenosu materijala iz jezgre u plašt. Riječ je o materijalu koji je u jezgri sačuvan još od nastanka Zemlje. Zaključak se temelji na simulacijama i ranijim mjerenjima sastava vulkanskih stijena.
Vodik nosi prepoznatljiv trag
Vodik se pojavljuje u različitim izotopima, atomima istog elementa s različitim brojem neutrona. Najčešći vodik u jezgri atoma ima samo proton, dok deuterij uz proton ima i neutron. Njihov omjer, označen kao D/H, geoznanstvenicima pomaže pratiti podrijetlo vode i razmjenu materijala duboko u Zemlji.
U nekim bazaltima s Baffinova otoka u Kanadi i s Islanda ranije je izmjeren izrazito nizak udio deuterija. Te vulkanske stijene potječu iz sustava povezanih s uzlaznim strujanjem vrućeg materijala iz dubokog plašta. Takvo strujanje može prenijeti kemijske tragove iz dubina do kojih se ne može doprijeti bušenjem.
Jedno je objašnjenje da se vodik siromašan deuterijem u dubokom plaštu očuvao još od nastanka Zemlje. Prema drugome, ondje je dospio kasnije, prijenosom iz jezgre. Razlikovati te mogućnosti važno je jer ista lava može čuvati trag vrlo starog materijala, ali i kasnijih procesa koji su taj materijal izmijenili.
Skrućivanje oceana magme nije dovoljno
Autori su izračunali kako se obični vodik i deuterij raspodjeljuju između silikatne taljevine i triju minerala važnih za Zemljin plašt: bridgmanita, ringwoodita i wadsleyita. Koristili su simulacije koje uključuju kvantne učinke gibanja atomskih jezgara, a strojno učenje omogućilo im je znatno ubrzati zahtjevne izračune.
To je posebno važno za vodik jer razlika u masi između njegovih izotopa snažno utječe na njihovo ponašanje. Istraživači su dobivene rezultate zatim uključili u model skrućivanja oceana magme, kakav je postojao u ranoj povijesti Zemlje.
Pokazalo se da je izotopno razdvajanje između minerala i taljevine preslabo da bi u dubokom plaštu nastala područja s toliko različitim omjerima izotopa. Pojedini minerali ugrađuju nešto veći udio lakšeg vodika, a drugi više deuterija, no ti se učinci tijekom skrućivanja uglavnom poništavaju. Omjer D/H u prvotnom plaštu pritom ostaje gotovo ujednačen.
Tim je mijenjao početnu količinu vode, dubinu na kojoj započinje kristalizacija i druge pretpostavke modela. Glavni zaključak ostao je isti. Ako su vrlo niski omjeri D/H postojali već u izvornom oceanu magme, model predviđa da bi sličan trag bio raširen i u gornjem plaštu, što se ne podudara s današnjim mjerenjima.
Jezgra je mogući izvor lakog vodika
Pri razdvajanju metalne jezgre od silikatnog dijela planeta metal je preuzimao veći udio lakšeg izotopa vodika. Jezgra je mogla sačuvati i dio vodika iz Sunčeve maglice, oblaka plina i prašine iz kojeg je nastao Sunčev sustav. Čak bi i ograničen prijenos tog vodika u najdublji plašt mogao ondje znatno smanjiti udio deuterija.
Vodik nije jedini trag. U nekim bazaltima visok je i omjer helija-3 i helija-4, a zabilježene su i anomalije izotopa volframa. Autori smatraju da selektivan prijenos sastojaka iz jezgre može povezati te nalaze. O mogućem istjecanju primordijalnog helija iz jezgre Kozmos je pisao i ranije; novo istraživanje provjerava podupiru li izotopi vodika takvo objašnjenje.
To ne znači da se velike količine metalne jezgre izravno podižu prema vulkanima. Takav bi prijenos u lavi ostavio i druga kemijska obilježja koja nisu opažena. Među mogućim mehanizmima su difuzija pojedinih atoma i prijenos posredstvom određenih oksida, no autori ne izdvajaju jedan mehanizam kao konačno potvrđen.
Sljedeći je zadatak utvrditi kako vodik i drugi sastojci prelaze granicu između jezgre i plašta te zašto se njihovi tragovi pojavljuju samo u pojedinim vulkanskim sustavima. Novi proračuni sužavaju izbor objašnjenja, ali još ne određuju koliko se materijala tim putem prenosi.
