Dwa minerały przy jądrze Ziemi więżą wodę. Odkrycie, które zmienia obraz wnętrza planety

Czy woda uwięziona w kryształach na granicy jądra Ziemi sięga ilością ziemskich oceanów?. Fot. NASA, Wikimedia Commons, Public domain

Wyobraź sobie wodę uwięzioną nie w szczelinach skalnych, ale wewnątrz kryształów - 2900 kilometrów pod powierzchnią, na granicy płaszcza i jądra Ziemi. Przez dekady badacze sądzili, że panujące tam ciśnienie i temperatura wykluczają obecność minerałów zdolnych do magazynowania choćby kropli. Najnowsze eksperymenty, opisane właśnie w Nature Geoscience, zmuszają do rewizji tych przekonań - i rzucają światło na ukryty rezerwuar wody, który może wpływać na trzęsienia ziemi, wulkanizm i stabilność całego globu.

Anomalie sejsmiczne, które nie dawały spokoju

→ Czytaj też: Podziemny raj na Borneo odkryty przypadkiem. Co kryją jaskinie?

Od lat geofizycy rejestrują tajemnicze „strefy ultrawolnych prędkości” - obszary tuż nad jądrem zewnętrznym, gdzie fale sejsmiczne gwałtownie hamują. Oznacza to, że materia w tych miejscach różni się składem od reszty dolnego płaszcza. Dominują tam wprawdzie dwa „suche” minerały - bridgmanit i ferroperyklaz - lecz żaden z nich nie potrafi związać znaczącej ilości wody. To właśnie ta sprzeczność pchnęła międzynarodowy zespół do poszukiwania alternatywy.

„Liquid water is the key ingredient of Earth’s habitability” - komentuje w Nature Geoscience Alfred Wilson, geonaukowiec z Uniwersytetu w Leeds. Chodzi jednak nie tylko o warunki do życia na powierzchni. Woda działa jak smar tektoniczny: hydratyzując skały, obniża ich lepkość i ułatwia poślizg warstw, napędzając ruch płyt litosferycznych. Bez niej ziemska maszyna klimatyczno-tektoniczna wyglądałaby zupełnie inaczej.

Laboratoryjne piekło w diamentowej pułapce

→ Czytaj też: Znalazł na Google Maps 25-kilometrowy krater. Naukowcy potwierdzili: to uderzenie meteorytu sprzed 390 mln lat

Badacze sięgnęli po ekstremalne narzędzie - ogrzewane laserowo komory z kowadeł diamentowych. Próbkę wielkości ułamka milimetra ściska się dwoma diamentami do ciśnienia setek tysięcy atmosfer, a wiązki laserowe rozgrzewają ją do kilku tysięcy stopni Celsjusza. W ten sposób odtwarzane są warunki panujące przy granicy jądra Ziemi. Właśnie w takim mikropiekle wyłoniła się niespodzianka.

Zespół zaobserwował dwa nieznane dotąd oksywodorotlenki żelaza - minerały łączące żelazo, tlen i wodór. Powstawały one nawet przy skrajnie niskiej zawartości wody, poniżej 0,1 procenta masy. Samo to wystarczyło, by nowo odkryte fazy krystaliczne pozostały stabilne w całym badanym zakresie ciśnień i temperatur dolnego płaszcza. Wilson nazywa je „gęstymi i pozornie stabilnymi fazami zdolnymi do wychwytywania i zatrzymywania wody”.

Grawitacyjny wyścig do jądra

Klucz okazała się gęstość. Obydwa minerały są cięższe od otaczających skał, dlatego - kiedy miliardy lat temu powierzchnię globu pokrywał ocean magmy - musiały tonąć. Opadały aż do granicy między płaszczem a ciekłym jądrem zewnętrznym. Tam utknęły, tworząc gigantyczny, rozproszony magazyn wody związanej chemicznie.

Nie oznacza to jednak, że woda pozostaje uwięziona na zawsze. Powolna konwekcja płaszcza unosi co kilka setek milionów lat fragmenty tych skał bliżej powierzchni. Gdy ciśnienie spada, minerały tracą stabilność i uwalniają wodę. Część przedostaje się wyżej, zasilając pióropusze gorąca odpowiedzialne za wulkanizm na Hawajach czy Reunion. Reszta cyrkuluje w zamkniętym obiegu, smarując tektoniczny silnik Ziemi.

Głębiej niż ktokolwiek sięgnął fizycznie

Warto pamiętać o skali wyzwania. Najgłębszy odwiert w historii - rosyjski supergłęboki odwiert Kola - sięgnął zaledwie 12 kilometrów. Do granicy jądra zostaje jeszcze 2888 kilometrów niezbadanego materiału. Dlatego jedynym oknem na te głębie pozostają symulacje laboratoryjne i fale sejsmiczne. Odkrycie oksywodorotlenków żelaza nie dowodzi jeszcze bezpośrednio ich obecności we wnętrzu planety, ale daje pierwszy spójny mechanizm tłumaczący, gdzie podziewa się woda, która zdaniem geochemików powinna tam być.

Pozostaje mnóstwo pytań. Nie wiadomo, ile dokładnie wody potrafią pomieścić nowo odkryte minerały ani jak ich rozmieszczenie koreluje z mapami anomalii sejsmicznych. Wilson sam przyznaje, że obraz jest „niekompletny”. Mimo to wyniki eksperymentu każą na nowo przemyśleć rolę wody w ewolucji Ziemi - od chłodzenia prastarego oceanu magmy po dzisiejsze erupcje. Tam, gdzie dotąd widzieliśmy tylko suchą skałę, może płynąć - atom po atomie - drugi, ukryty ocean.