地球核における水素含有量の実験的定量化

私たちの惑星の深部に潜む水

地球上の水の大部分は明らかです：海、河川、雲を満たしています。しかし数十年にわたり、科学者たちは水の主要成分である水素が、地表からは見えない巨大な量で地球の金属核に閉じ込められているのではないかと疑ってきました。本研究は、水素が核に大量に取り込まれ得ることを示す初めての直接的な実験的証拠を提示しており、地球がその水の多くを後期の氷隕石などから受け取ったのではなく、形成初期から内部に運び込んでいた可能性を示唆します。

なぜ核に水を探すのか？

水素は太陽系で最も多い元素である一方、地球は特定の原始隕石と比べ「乾いている」と表現されることが多いです。地表は海で覆われていますが、以前の研究はさらに多くの水素が鉄と合金化して核に存在する可能性を示唆してきました。しかし既存の推定は非常に不確かで、10,000倍もの幅がありました。これは水素が、地球の核が形成された極めて高圧・高温下で測定するのが極めて難しいためです。従来の多くの研究は結晶サイズの微小な変化から間接的に水素量を推定しており、シリコンや酸素など他元素の影響によって容易に誤解され得ました。

地球の激しい始まりを再現する

この問題に取り組むため、著者らはダイヤモンドアンビルセルで微小試料を圧縮・加熱して初期地球の条件を再現しました。純粋な鉄を水を含む溶融岩の薄層で挟み、強力なレーザーで加熱して大気圧の100万倍を超える圧力と5,000ケルビンを超える温度に到達させました。この条件下で鉄は金属溶融相として振る舞い、周囲の岩石はマグマオーシャンを形成しました—これは惑星の誕生環境の実験的代替物です。短くも強烈な加熱の間に、水素、シリコン、酸素は溶融岩から溶融した金属へ移動し、これは45億年前の核形成時に起きたであろうプロセスと一致します。

原子スケールで水素を見る

急冷後、研究者たちは原子プローブトモグラフィーと呼ばれる先進技術を用いました。回収した金属を幅数十ナノメートルの針状に成形し、先端から原子を一つずつ蒸発させてその質量と位置を測定しました。これにより、試料の化学組成のほぼ原子分解能の三次元マップを作ることができました。溶融金属が冷却する過程で、シリコンと酸素が鉄中にナノスケールのクラスターとして集まることが発見されました。重要なのは、これらのクラスターが大量の水素も含んでおり、三元素が一緒に濃集した小さな領域を形成していた点です。化学的な指紋は、この水素が装置内の残留ガスで説明されるものではなく、試料自体に由来するものであることを示していました。

核にはどれほどの水素が入るのか？

これらのクラスター内では水素とシリコンがほぼ等モルの比で酸素と結合していたため、研究チームはシリコンを代理として核内の水素量を推定できました。水素とは異なり、地球核内のシリコン含有量は地球物理学的モデルや実験により比較的よく制約されており、質量百分率でおよそ2〜10％の範囲にあります。実験で観察されたおおむね1対1の水素対シリコン比を仮定すると、著者らは地球核が質量百分率で約0.07〜0.36％の水素を含むと推定します。より直感的に言えば、これは現在の地球の海洋に存在する水の約9〜45倍に相当します。

地球の水の物語に与える意味

これらの発見は、地球が主要な惑星成長段階でその水の多くを獲得し、主に後期に到来した氷性天体に依存していなかったという図式を支持します。もし核が数十個分の海洋に相当する水素を抱えているなら、地球全体（地表、マントル、核を合わせた）では質量で約1％近くの水を含む可能性があります。地質学的時間スケールで、この深部に結合した水素の一部はシリコン・酸素に富む相からマントルへ放出され、火山活動や長期の水循環に影響を与えることもあり得ます。非専門家向けに要点をまとめれば、身近に見える青い惑星は、金属の核の深部に古代の広大な海に相当する水素を隠しているかもしれず、地球の水の起源や深部内部での循環に関する理解を塗り替える可能性があるということです。

引用: 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

キーワード: 地球核 水素, 深部地球の水, 惑星の降着, 金属・珪酸塩間の分配, 原子プローブトモグラフィー