כימות ניסויי של תכולת המימן בגרעין של כדור הארץ

מים נסתרים עמוק בליבו של כוכב הלכת שלנו

רוב המים של כדור הארץ גלויים: הם ממלאים את האוקיינוסים, הנהרות והעננים. אבל במשך עשרות שנים סברו מדענים שאגירה עצומה ובלתי נראית של מימן — המרכיב המרכזי במים — עשויה להיות כלואה הרחק מתחת לרגלינו, בגרעין המתכתי של כדור הארץ. המחקר הזה מספק את הראיה הניסויית הישירה הראשונה לכך שמימן יכול להיספח לגרעין בכמויות גדולות, ומראה שכוכב הלכת שלנו אולי נשא אליו חלק ניכר ממימיו כבר מההתחלה, במקום לקבלם בעיקר ממכשירי קרח מאוחרים יותר.

למה לחפש מים בגרעין?

מימן הוא היסוד הנפוץ ביותר במערכת השמש, ועדיין כדור הארץ מתואר לעתים כ"יבש" בהשוואה למטאוריטים פרימיטיביים מסוימים. למרות שהמשטח מכוסה באוקיינוסים, מחקרים מוקדמים הציעו שאפילו יותר מימן עשוי לשכון בגרעין, בסגסוגת עם ברזל. עם זאת, ההערכות הקיימות היו לא ברורות לחלוטין — התפרסו על פני גורם של 10,000 — משום שמדידת מימן תחת הלחצים העצומים והטמפרטורות הגבוהות שבהם נוצר גרעין כדור הארץ היא משימה קשה במיוחד. מרבית המחקרים הקודמים נאלצו להשער את תכולת המימן בעקיפין מתוך שינויים זעירים בגודל הגביש, שיטה שניתן בקלות לבלבל בנוכחות יסודות אחרים כמו סיליקון וחמצן.

שחזור התחלתו הלוהטת של כדור הארץ

כדי להתמודד עם הבעיה הזו, החוקרים שיחזרו את תנאי כדור הארץ המוקדמים על ידי לחיצה וחימום של דגימות קטנות בכלי שילוב היהלום. הם הטמינו ברזל טהור בין שכבות דקות של סלע מותך שנושא מים ואז פגעו בדגימה בלייזרים עוצמתיים, והגיעו ללחצים של יותר ממיליון פעמים לחץ האטמוספרה ולטמפרטורות מעל 5,000 קלווינס. בתנאים אלה הברזל מתנהג כמו מותך מתכתי, בעוד שהסלע המקיף יוצר אוקיינוס קמגמה — תחליף ניסויי לסביבה שבה נולד כוכב הלכת. במהלך חימום קצר אך אינטנסיבי זה, מימן, סיליקון וחמצן נודדו מהסלע המותך אל המתכת המותכת, בדיוק כפי שהם היו נודדים במהלך היווצרות הגרעין לפני 4.5 מיליארד שנים.

ראיית המימן בקנה מידה אטומי

לאחר קירור מהיר של הדגימות, החוקרים השתמשו בטכניקה מתקדמת הנקראת טומוגרפיית חישת אטומים. הם עיצבו את המתכת המוחזרת לקצות בצורת מחט ברוחב של עשרות ננומטרים בלבד ואז התאדו אטומים מהקצה אחד-אחד, תוך מדידת מסתם ומיקומם. כך הם בנו מפות תלת-ממדיות של הכימיה של הדגימה ברזולוציה כמעט אטומית. הם גילו שכאשר המתכת המותכת התקררה, סיליקון וחמצן התקבצו לאשכולות ננומטריים בתוך הברזל. הדבר הקריטי הוא שאשכולות אלה כללו גם כמויות גדולות של מימן, ויצרו אזורים זעירים שעשירים בשלושת היסודות יחד. החתימות הכימיות הראו שהמימן לא יכול היה להיות מוסבר כגז סרק במכשיר — הוא חייב היה להגיע מהדגימה הניסויית עצמה.

כמה מימן יכול להיכנס לגרעין?

מכיוון שמימן וסיליקון קשורים לחמצן בכמויות מולריות כמעט שוות בתוך האשכולות האלה, הצוות יכל לאמוד את המימן שבגרעין באמצעות סיליקון כתחליף. שלא כמו מימן, תכולת הסיליקון בגרעין כדור הארץ מוגדרת יחסית היטב על ידי מודלים גאופיזיים וניסויים, ונעה בין בערך 2 ל־10 אחוזים לפי משקל. בהנחה של יחס של בערך אחד-לאחד בין מימן לסיליקון כפי שנצפה בניסויים, המחברים מסיקים שסביר שגרעין כדור הארץ מכיל בין 0.07 ל־0.36 אחוזים במשקל של מימן. בביטוי אינטואיטיבי יותר, זה שקול לכ־9 עד 45 פעמים כמות המים הנמצאת כיום באוקיינוסים של כדור הארץ.

מה משמעות הדבר לסיפור המים של כדור הארץ?

ממצא זה תומך בתמונה שבה כדור הארץ קיבל חלק ניכר ממימיו במהלך שלבי הצמיחה הפלנטרית העיקריים, במקום להסתמך בעיקר על גופים קפואים שהגיעו לאחר מכן. אם הגרעין מאכסן עשרות כמותות של מימיות במונחי מימן, הרי שהכדור כולו עשוי להכיל קרוב ל־1 אחוז מים לפי משקל כאשר מחשבים יחד את המשטח, המעטפת והגרעין. במשך זמן גיאולוגי, חלק מהמימן העמוק הזה, הקשור בשלבי סיליקון וחמצן עתירי חיזור, עלול להשתחרר חזרה למעטפת ואף להשפיע על פעילות געשית ועל מחזור המים לטווח הארוך. לקורא שאינו מומחה, הרעיון המרכזי פשוט: כוכב הלכת הכחול שמוכר לנו עשוי להסתיר כמות מימן ענקית, שקולה לאוקיינוס עתיק שלם בלבו המתכתי, ומשנה את הבנתנו לגבי מקורות המים של כדור הארץ ואופן זרימתם בעומק הפנימי.

ציטוט: 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

מילות מפתח: מימן בגרעין כדור הארץ, מים בעומק כדור הארץ, הצטברות פלנטרית, חלוקה בין מתכת לסיליקט, טומוגרפיית חישת אטומים