В последние десятилетия ученые ведут полемику относительно того, откуда на Земле взялся водород в требуемых количествах. С кислородом вопрос стоит не так остро, поскольку он менее летуч, а водород на таком расстоянии от Солнца более-менее удивителен и требует объяснения.
Команда геологов из Университета штата Аризона проанализировала изотопный состав земного водорода и вероятные пути его накопления. В центре внимания оказались две конкурирующие гипотезы, согласно которым водород на Землю попал либо с астероидами, либо с кометами. Надо заметить, что в те времена Земля, точнее то, что будет потом названо этим именем, сама была в общем-то астероидом, только побольше.
Природный водород состоит из двух изотопов. В наиболее распространенном случае ядро атома состоит из одного протона. В редких случаях (порядка тысячных долей) к протону присоединен нейтрон — это вещество называется дейтерием, а его соединение с кислородом — тяжелой водой. Есть еще вариант с двумя нейтронами — тритий, он радиоактивен, быстро распадается и учитывать его в этих расчетах нелогично.
Отношение числа атомов дейтерия (D) к обычным атомам (H) называется отношением D/H, и оно позволяет определить источник водорода. Например, астероидная вода имеет D/H приблизительно 140 частей на миллион (ppm), тогда как кометная вода имеет от 150 ppm до 300 ppm.
Водород на Земле имеет приблизительно «астероидный» изотопный состав, но этим вопрос не исчерпывается.
Ученые полагают, что в его накоплении могли сыграть значительную роль газы той туманности, из которой немного ранее образовалось Солнце. Ключевым моментом является концентрация водорода в ядре Земли с одновременным повышением относительного количества дейтерия в мантии.
Во времена формирования нашей планеты, планетезимали размером с Луну относительно часто сталкивались, формируя более массивные тела, и значительная часть поверхности будущей планеты была расплавлена энергией, выделившейся при столкновениях. Это привело к тому, что значительная часть молекулярного водорода из протоатмосферы планеты была захвачена более тяжелыми элементами, особенно железом и, вместе с ним, «утонула» в недрах. Это повлияло на изотопный состав водорода — дейтерий хуже растворяется в расплавленном железе и, в такой ситуации, остался ближе к поверхности, в мантии.
Для проверки этой гипотезы ученые изучили образцы магматических пород, считающихся мантийными, на предмет уточнения изотопного состава водорода, присутствующего в них.
Анализ показал, что в формировании Земли сыграл значимую роль водород, содержавшийся тогда в окружавшем Солнце облаке газа. Его, растворенного в глубине Земли, на начальном этапе формирования планеты должно было хватить на семь или восемь объемов современного Мирового океана. Сейчас хватит на два.
Подробности можно увидеть в статье, опубликованной в Journal of Geophysical Research.
