מימן הוא יסוד חיוני לחיים על פני כדור הארץ. ליבתו מכילה פי 9 עד פי 45 יותר מימן מאשר האוקיינוסים, מה שהופך אותה למאגר המימן הגדול ביותר על פניו. חוקרים גילו שכמות עצומה זו של מימן חדרה לליבת כדור הארץ - העשויה בעיקרה מברזל וניקל - במהלך היווצרותו לפני כ-4.5 מיליארד שנים, ולא בשל פגיעת שביטים בכוכב הלכת שלנו. הממצא עשוי ליישב את הוויכוח על מתי וכיצד הגיע מימן לכדור הארץ.
4 צפייה בגלריה
המבנה השכבתי של כדור הארץ: מליבת כדור הארץ הפנימית והחיצונית, דרך המעטפת ועד הקרום
(איור: PeopleImages/Shutterstock)
ויכוח זה נמשך משום שקשה לכמת מימן עמוק בתוך כדור הארץ. מימן הוא היסוד הקטן והקל ביותר ביקום, ולכן לרוב הטכניקות אין את הרזולוציה הנדרשת לגילויו כראוי בסביבות המאופיינות בלחץ וטמפרטורה גבוהים כמו בליבת כדור הארץ. "אומדן כמות המימן שמאוחסנת בליבת כדור הארץ הוא המפתח להבנת האופן בו המימן הגיע לשם מלכתחילה", אמר ד"ר דונגיאנג הואנג, מבית הספר למדעי כדור הארץ והחלל באוניברסיטת פקינג שבסין, ל-Live Science.
חקר מקורו ותפוצתו של מימן הוא המפתח להבנת היווצרות כוכבי הלכת ואבולוציית החיים על פני כדור הארץ. מדענים תהו זה מכבר כמה מימן קיים בליבת כדור הארץ - שתפקידה המרכזי הוא יצירת השדה המגנטי המגן מפני קרינת השמש באמצעות "אפקט הדינמו". עם זאת, אין אפשרות לדגום ממנה ישירות, בנוסף לתנאי הלחץ הגבוה שקשים לשחזור במעבדה.
מחקרים קודמים השתמשו בטכניקת דיפרקציה של קרני רנטגן כדי להעריך את כמות המימן בליבת כדור הארץ, אולם לשיטה זו היו מספר חסרונות. כעת, במחקר שפורסם בכתב העת Nature Communications, הואנג ועמיתיו השתמשו בשיטה חלופית המכונה טומוגרפיית דגימה אטומית. יכולתה לספק דימות תלת-ממדי ומידע על הרכב כימי בקנה מידה אטומי הופכת אותה לכלי חיוני במגוון רחב של יישומים, במיוחד בשילוב עם טכניקות שונות של מיקרוסקופיה אלקטרונית. "טכניקה זו יכולה לספק מיפוי מבני תלת-ממדי ננו-מטרי של כל היסודות בטבלה המחזורית", אמר ד"ר הואנג. "היא אידיאלית עבור דגימות בלחץ גבוה".
החוקרים דימו את התנאים שכנראה התקיימו כאשר ליבת כדור הארץ נוצרה. ראשית, הם ציפו דגימה זעירה של מתכת ברזל בזכוכית סיליקט מימית כדי לדמות את הליבה המכוסה במאגמה. לאחר מכן, הם הניחו את העצם הזה בתוך תא סדן יהלום - מכשיר שבו שני גבישי יהלום נדחסים יחד כדי ליצור לחץ קיצוני הדומה לזה שנמצא בליבת כדור הארץ. החוקרים השתמשו גם בלייזרים שחיממו את הדגימה לכ-4,830 מעלות צלזיוס, ובכך השיגו את הטמפרטורה הגבוהה בליבת כדור הארץ.
4 צפייה בגלריה
תא סדן יהלום, בו השתמשו החוקרים לכימות המימן בליבת כדור הארץ
(צילום: Science Photo Library/Reuters)
החוקרים גילו שמימן, חמצן וסיליקון מתמוססים בו זמנית לתוך מבני גביש של ברזל בתנאים קיצוניים, ובכך משנים את הגבישים בדרכים לא ידועות קודם לכן. באופן מכריע, כמויות שוות של מימן וסיליקון נכנסו לליבה מהמאגמה בניסוי, מה שעזר לחוקרים להעריך כי מימן מהווה 0.07% עד 0.36% ממשקל ליבת כדור הארץ.
החוקרים הניחו כי אם שביטים היו מספקים מימן לכדור הארץ לאחר שהליבה הסתיימה להיווצר, מימן היה מופיע בעיקר בשכבות הרדודות יותר של כדור הארץ. "הממצא שהליבה היא מאגר המימן הגדול ביותר של כדור הארץ מצביע על כך שמימן סופק לפני שהליבה נוצרה במלואה", אמר ד"ר הואנג. "זו הפעם הראשונה שמנגנון כניסת המימן לליבה זוהה".
החוקרים סבורים כי אם מימן וחמצן יכולים לנוע אל תוך הליבה ומחוצה לה לאורך זמן, הרי שמים עשויים להיות קיימים עמוק הרבה יותר בכדור הארץ ממה שמרמזים האוקיינוסים על פני השטח בלבד. על כן, אם יתברר שתהליך זה נפוץ, ייתכן שגם כוכבי לכת סלעיים אחרים – אפילו אלה שנראים יבשים מרחוק – עשויים להכיל מים נסתרים עמוק מתחת לפני השטח שלהם.
