قياس تجريبي لمحتوى الهيدروجين في نواة الأرض

مياه مخفية في أعماق كوكبنا

معظم مياه الأرض مرئية بوضوح: تملأ محيطاتنا وأنهارنا وغيومنا. لكن لعدة عقود اشتبه العلماء في أن مخزونًا هائلًا وغير مرئي من الهيدروجين — المكوّن الأساسي للماء — قد يكون محبوسًا بعيدًا تحت أقدامنا، في نواة الأرض المعدنية. تقدّم هذه الدراسة الدليل التجريبي المباشر الأول على أن الهيدروجين يمكن أن يُحتجز في النواة بكميات كبيرة، مما يشير إلى أن كوكبنا قد حمل معظم مياهه إلى الداخل منذ بدايته، بدلاً من الحصول عليها بشكل رئيسي من المذنبات الجليدية في وقت لاحق.

لماذا نبحث عن الماء في النواة؟

الهيدروجين هو العنصر الأكثر شيوعًا في النظام الشمسي، ومع ذلك تُوصف الأرض في كثير من الأحيان بأنها «جافة» مقارنة ببعض النيازك البدائية. على الرغم من أن السطح مغطى بالمحيطات، اقترحت أعمال سابقة أن مزيدًا من الهيدروجين قد يقيم في النواة، متحالِفًا مع الحديد. لكن التقديرات الحالية كانت غير مؤكدة للغاية — تتراوح بفارق يصل إلى 10,000 مرة — لأن قياس الهيدروجين في ظروف الضغوط الهائلة والدرجات الحراية الشديدة التي تشكلت فيها نواة الأرض أمر بالغ الصعوبة. اضطرت معظم الدراسات السابقة إلى استنتاج محتوى الهيدروجين بشكل غير مباشر من تغيّرات صغيرة في حجم البلورات، وهي طريقة يمكن أن تختلط عليها الأمور بسهولة بوجود عناصر أخرى مثل السيليكون والأكسجين.

إعادة خلق بدايات الأرض النارية

لمعالجة هذه المشكلة، أعاد الباحثون خلق ظروف الأرض المبكرة عبر ضغط وتسخين عينات صغيرة جدًا داخل خلايا السندان الماسية. وضعوا حديدًا نقيًا بين طبقات رقيقة من صخر مصهور يحتوي على ماء ثم سخّنوها بشعاع ليزر قوي، مما أدى إلى الوصول لضغوط تفوق مليون ضعف الضغط الجوي ودرجات حرارة تجاوزت 5000 كلفن. في تلك الظروف يتصرف الحديد كمذاب معدني، بينما يشكل الصخر المحيط محيطًا من الصهارة — نموذج تجريبي لبيئة ولادة كوكبنا. خلال فترات التسخين القصيرة ولكن المكثفة هذه، هاجر الهيدروجين والسيليكون والأكسجين من الصخر المصهور إلى المعدن المنصهر، تمامًا كما كان سيحدث أثناء تكوّن النواة قبل 4.5 مليار سنة.

رؤية الهيدروجين على المقياس الذري

بعد تبريد العينات بسرعة، استخدم الباحثون تقنية متقدمة تُسمى تصوير المسبار الذري. شكّلوا المعدن المستعاد إلى رؤوس إبرية بعرض يمتد لعشرات النانومترات ثم تبخروا الذرات من الطرف واحدة تلو الأخرى، قيسًا كتلتها وموقعها. سمح ذلك لهم ببناء خرائط ثلاثية الأبعاد لكيمياء العينة بدقة تكاد تصل إلى المستوى الذري. اكتشفوا أنه أثناء تبريد المعدن المنصهر، تجمّع السيليكون والأكسجين في عناقيد بحجم نانوي داخل الحديد. والأهم أن هذه العناقيد احتوت أيضًا على كميات كبيرة من الهيدروجين، مكوّنة مناطق صغيرة غنية بالعناصر الثلاثة معًا. أظهرت التواقيع الكيميائية أن هذا الهيدروجين لا يمكن تفسيره بوجود غاز دخيل في الجهاز — بل كان لا بد أنه جاء من العينة التجريبية نفسها.

كمية الهيدروجين التي يمكن أن تتسعها النواة؟

لأن الهيدروجين والسيليكون ارتبطا بالأكسجين بنِسب مولية متقاربة داخل هذه العناقيد، تمكن الفريق من تقدير الهيدروجين في النواة باستخدام السيليكون كبديل. على عكس الهيدروجين، فإن محتوى السيليكون في نواة الأرض مقيد إلى حد ما بنماذج جيولوجية وفيزيائية وتجارب، ويتراوح بين نحو 2 و10 في المئة بالوزن. بافتراض نسبة تقريبًا واحد إلى واحد بين الهيدروجين والسيليكون كما لوحظ في التجارب، يستنتج المؤلفون أن نواة الأرض قد تحتوي على ما بين 0.07 و0.36 في المئة بالوزن من الهيدروجين. للتوضيح بشكل أكثر بديهية، يعادل ذلك نحو 9 إلى 45 ضعف كمية الماء الموجودة حاليًا في محيطات الأرض.

ما دلالة هذا على قصة ماء الأرض؟

تدعم هذه النتائج صورة مفادها أن الأرض اكتسبت معظم مياهها خلال المراحل الرئيسية لنمو الكواكب، بدلاً من الاعتماد بشكل أساسي على الأجسام الجليدية اللاحقة. إذا كانت النواة تخزن عشرات محيطات من الهيدروجين، فقد يحتوي الكوكب ككل على ما يقرب من 1 في المئة ماءً بالوزن عند حصر السطح والوشاح والنواة معًا. وعلى مدى الزمن الجيولوجي، قد يطلق بعض هذا الهيدروجين العميق المرتبط بمراحل غنية بالسيليكون والأكسجين مرة أخرى إلى الوشاح وقد يؤثر ربما على النشاط البركاني ودورة الماء طويلة الأمد. للفهم العام، الفكرة الأساسية بسيطة: كوكبنا الأزرق المألوف قد يخفي في قلبه المعدني كمية هائلة قد تعادل محيطًا قديمًا من الهيدروجين، مما يعيد تشكيل فهمنا لمصدر مياه الأرض وكيفية دورانها عبر أعماقها.

الاستشهاد: Huang, D., Murakami, M., Gerstl, S. et al. Experimental quantification of hydrogen content in the Earth’s core. Nat Commun 17, 1211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68821-6

الكلمات المفتاحية: هيدروجين نواة الأرض, مياه أعماق الأرض, تكوّن الكواكب, تقسيم المعدن والسيليكات, تصوير المسبار الذري