الهيدروجين في نواة الأرض كما استُنتج من تصوير ونشر النيترونات

مخزون خفي لأخف عناصر الأرض

يشتهر الهيدروجين كعنصر أساسي في الماء والشمس، لكن هذه الدراسة تشير إلى أن كميات هائلة منه قد تكون محبوسة أيضًا عميقًا داخل قلب كوكبنا المعدني. عبر إعادة خلق الضغوط والحرارة الشديدة الموجودة بعيدًا تحت سطح الأرض ومراقبة سلوك الهيدروجين داخل الحديد المصهور، يقدم المؤلفون نافذة جديدة على تركيب النواة وكيفية تشكّل كوكبنا.

لماذا تبدو نواة الأرض أخف وزناً

تكشف الموجات الزلزالية أن نواة الأرض أقل كثافة من كرة مكوّنة من الحديد والنيكل الخالصين. ولتفسير هذه «الكتلة المفقودة»، اقترح العلماء أن عناصر أخف مثل السيليكون والكبريت والأكسجين والكربون والهيدروجين مخلوطة داخل النواة. يُعد الهيدروجين مرشحًا مثيرًا للاهتمام بشكل خاص لأنه كان وفيرًا في النظام الشمسي المبكر ويذوب بسهولة داخل الحديد عند الضغط العالي جدًا. ومع ذلك، كان من الصعب قياس مقدار الهيدروجين الذي يدخل فعلاً الحديد السائل، لأن مركبات هيدريد الحديد التي تتكوّن تحت الضغط تنهار عند إعادتها إلى الظروف الاعتيادية.

مراقبة الهيدروجين في الحديد المصهور

واجه الباحثون هذا التحدي باستخدام حزم النيترونات، الجسيمات التي تمر بسهولة عبر المعادن لكنها تتأثر بقوة بالهيدروجين. في مصدر قوي للنيترونات في اليابان، وضعوا عينة حديدية صغيرة مع مادة غنية بالهيدروجين داخل مكبس متعدد الأسافين ضغطها نحو 3–3.5 غيغاباسكال وسخّن إلى نحو 1400 كلفن، وهي ظروف تشبه تلك القريبة من قاعدة محيط الماغما المبكر على الأرض الشابة. أظهرت حيود النيترونات، الذي يكشف عن ترتيب الذرات، متى تغير الحديد من بلورة صلبة إلى حالة انصهار كاملة. وكشفت تصوير النيترونات، الذي يسجل مدى امتصاص العينة للنيترونات، كمية الهيدروجين التي دخلت الحديد في كل مرحلة.

تحويل ظلال النيترونات إلى أرقام

لترجمة صور النيترونات إلى محتوى هيدروجيني، معايرة الفريق أولاً كيف يتغير امتصاص الكتلة للنيترونات مع إضافة المزيد من الهيدروجين إلى الحديد الصلب. أظهروا أن الامتصاص ازداد تقريبًا بشكل خطي مع نسبة الهيدروجين، مما مكنهم من بناء منحنى تحويل بسيط. بالنسبة للحديد المصهور، لا تُعرف الكثافة مباشرة، لذا جمعوا قياساتهم مع محاكاة حاسوبية متقدمة لهيدريد الحديد السائل تربط بين الضغط والحرارة والتركيب والكثافة. بجمع هذه الأجزاء، استنتجوا أن الحديد السائل عند 3.4 غيغاباسكال و1400 كلفن يمكن أن يحتوي نحو 0.17 بالمئة بالوزن من الهيدروجين.

من كبسولة المختبر إلى نواة كوكبية

بعد ذلك استخدم المؤلفون صيغة معدلة من قانون كلاسيكي، قانون سيفرتس، الذي يربط كمية الهيدروجين المذابة في المعدن بالضغط الجزئي للهيدروجين ودرجة الحرارة المحيطة. مستندين إلى نتيجتهم التجريبية، حسبوا مقدار الهيدروجين الذي يمكن أن يمتصه الحديد المصهور عند قاعدة محيط ماغما عميق تحت غلاف جوي بدائي غني بالهيدروجين. في ظل هذه الظروف المواتية، يقدّرون أن سائل تكوين النواة قد احتوى نحو 0.6 إلى 0.7 بالمئة بالوزن من الهيدروجين. ومع انقسام النواة لاحقًا إلى غلاف خارجي سائل ولب داخلي صلب، يفضل الهيدروجين البقاء في السائل، مما يجعل النواة الخارجية أغنى بالهيدروجين من النواة الداخلية.

ماذا يعني هذا بالنسبة لطبقات الأرض العميقة

باستخدام نماذج قياسية لباطن الأرض، يحول الفريق هذه النسب المئوية إلى ميزانية مذهلة: يمكن أن تخزن النواة 72 إلى 87 ضعف كمية الهيدروجين الموجودة في محيطات اليوم مجتمعة. في سيناريوهم، سيحتوي الغلاف الخارجي للنواة وحده على ما يعادل 70 إلى 85 محيطًا من الهيدروجين، بينما ستحتوي النواة الداخلية على حصة أصغر لكنها لا تزال كبيرة. يمكن لمثل هذه الكميات أن تفسّر أكثر من نصف العجز الكثافي المرصود للغلاف الخارجي إذا كان الهيدروجين هو العنصر الخفيف الوحيد الموجود. في الواقع، من المؤكد أن عناصر أخرى تشارك الهيدروجين هناك، لكن هذا العمل يظهر أن الهيدروجين لم يعد يمكن اعتباره لاعبًا ثانويًا في تشكيل وبناء وتطور أعمق منطقة في الأرض.

قطعة جديدة في قصة أصل الأرض

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن نواة الأرض قد تكون خزانًا هائلًا وخفيًا من الهيدروجين يضاهي أو يتجاوز الماء على السطح. عبر قياس الهيدروجين مباشرة في الحديد المصهور تحت ظروف واقعية بدل الاعتماد على دلائل غير مباشرة، تعزز هذه الدراسة فكرة أن الغلاف الجوي المبكر الغني بالهيدروجين والغطاء الماغماتي المصهور زوّدا كميات هائلة من أخف عنصر إلى النواة المتشكِّلة. ذلك المخزون الهادئ من الهيدروجين يواصل التأثير في الكوكب اليوم عبر أثره على كثافة النواة ودينامياتها وسلوكها المغناطيسي.

الاستشهاد: Takahashi, N., Sakamaki, T., Hattori, T. et al. Hydrogen in the Earth core inferred from neutron imaging and diffraction. Sci Rep 16, 14162 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49969-z

الكلمات المفتاحية: نواة الأرض, الهيدروجين في الحديد, تجارب النيترونات, محيط الماغما, تكوّن الكواكب