Zemljina jezgra decenijama „curi": starodavni vodik, helij-3 i volfram putuju prema površini

Zemljina metalna jezgra, čija temperatura je približno jednaka temperaturi površine Sunca, šalje hemijske tragove kroz unutrašnje slojeve planete već četiri i po milijarde godina — otprilike trećinu životnog vijeka Univerzuma. Među njima je i vodik zarobljen još od ogromnog oblaka plina i prašine iz kojeg je nastalo Sunce — vodik koji se iz jezgre izdiže i u plaštu i kori pretvara u vodu, ali ne u tekućinu, već u vodu vezanu u mineralima.

Tim geoznanstvenika s Univerziteta nauke i tehnologije Kine u Hefeju postavio se pitanje jesu li hemijske razlike u dubokom plaštu ostaci kristalizacije planete iz magmatske kugle, ili dokaz da jezgra i plašt od pamtivjeka razmjenjuju hemikalije. Rezultate su objavili u časopisu Science Advances.

Simulacije podržane mašinskim učenjem

Istraživači su koristili simulacije putanje integrala ubrzane mašinskim učenjem, kojima su istraživali kvantno ponašanje atoma i molekula. Time su mogli analizirati kretanje vodika kroz unutrašnjost Zemlje — atoma koji je zbog male mase posebno „kvantno zahtjevan". Proučavali su odnos deuterijuma i vodika kako bi provjerili da li lakši vodik curi nagore kroz rastopljene pernjate struje koje izbijaju na površini.

Model kristalizacije pokazuje da je frakcionacija minerala i rastopa slaba, pa bi u drevnom plaštu trebala postojati ravnomjerna distribucija odnosa deuterijuma i vodika. „Uzeto zajedno, ovi rezultati ukazuju da kristalizacija magmatskog okeana daje primitivni plašt s u suštini homogenim sastavom vodikovih izotopa, uprkos velikim varijacijama pritiska, temperature i pretpostavki modela", navode istraživači.

Ključna varijabla bila je početni sastav vodikovih izotopa u magmatskom okeanu, dok druge veličine — uključujući početni sadržaj vode, procijenjen na najviše dvije oceanske mase — nisu znatno utjecale na rezultat. Razlog je kaos: uslovi su bili previše energetski nasilni da bi se deuterijum i vodik uredno rasporedili kroz slojeve Zemlje.

Tri hemijska dokaza iz dubina

Kako curanje jezgre izgleda u praksi? Odgovor nude bazalti okeanskih ostrva (OIB), nastali izdižanjem materije s granice jezgre i plašta. Te lave izbijaju, primjerice, na Baffinovom ostrvu u kanadskom Nunavutu i na Islandu, a nose sa sobom lakši vodik nakupljen iz solarne magline koja je stvorila naš Sunčev sistem. Dok taj vodik izmiče iz jezgre, obogaćuje plašt i snižava njegov odnos deuterijuma i vodika.

Drugi trag daju izotopi helijuma: helijum-3 je lakši, primordijalni izotop iz solarne magline, čiji veliki dio potječe još iz Velikog praska, dok se teži helijum-4 proizvodi radioaktivnim raspadom u gornjim slojevima Zemlje. Viši odnos helijuma-3 i helijuma-4 u bazaltima okeanskih ostrva dodatni je dokaz da i on izmiče iz zemljine jezgre.

Treći elemenat priče je volfram, teški metal koji je za vrijeme kristalizacije planete završio u jezgri. Drevni izotop volfarma sada se vozi na pernjatim strujama koje se izdižu, pratići materije koje jezgra izbacuje nagore kroz zemljine utrobe.

Ukupno gledano, istraživanje nudi kombinaciju triju hemijskih tragova iz najdubljih i najstarijih dijelova planete, koji upućuju na isti zaključak: jezgra i plašt Zemlje razmjenjuju materijale otkako je planeta nastala. „Ovi nalazi ukazuju da, čak i ako su pradavni rezervoari u dubokom plaštu nekada postojali, vodikov izotopski signal u današnjem dubokom donjem plaštu vjerovatno ne predstavlja jednostavan relikt ranije diferencijacije", zaključuju istraživači, već on, kako navode, „odražava dinamičku izmjenu jezgre i plašta tokom cijele evolucije Zemlje".