Экспериментальная количественная оценка содержания водорода в ядре Земли

Скрытая вода глубоко внутри нашей планеты

Большая часть воды на Земле видима: она заполняет океаны, реки и облака. Но в течение десятилетий учёные предполагали, что огромный невидимый запас водорода — ключевого ингредиента воды — может быть заперт глубоко под ногами, в металлическом ядре Земли. Это исследование даёт первые прямые экспериментальные доказательства того, что водород может в больших количествах входить в состав ядра, показывая, что наша планета могла нести большую часть своей воды внутрь с самого начала, а не получать её главным образом позднее от ледяных комет.

Зачем искать воду в ядре?

Водород — самый распространённый элемент в Солнечной системе, однако Землю часто называют «сухой» по сравнению с некоторыми примитивными метеоритами. Хотя поверхность покрыта океанами, прежние работы указывали, что ещё больше водорода может находиться в ядре, соединённого с железом. Существующие оценки были крайне неопределёнными — разница доходила до фактора 10 000 — потому что водород очень трудно измерить при давлении и температурах, при которых формировалось ядро. Большинство предыдущих исследований приходилось косвенно выводить содержание водорода по крошечным изменениям в размере кристаллов, методике, легко искажаемой присутствием других элементов, таких как кремний и кислород.

Воссоздавая огненное начало Земли

Чтобы решить эту задачу, авторы воссоздали условия ранней Земли, сжимая и нагревая крошечные образцы в алмазных наковальнях. Они поместили чистое железо между тонкими слоями водосодержащей расплавленной породы и затем облучали образец мощными лазерами, достигая давлений свыше миллиона атмосфер и температур выше 5000 кельвинов. В этих условиях железо ведёт себя как металлическая расплавленная фаза, а окружающая порода образует магмовый океан — экспериментальную имитацию среды рождения планеты. В ходе этих коротких, но интенсивных нагревов водород, кремний и кислород мигрировали из расплава породы в расплавленное железо, так же как это происходило при формировании ядра 4,5 миллиарда лет назад.

Наблюдение водорода на атомном уровне

После быстрого охлаждения образцов исследователи использовали продвинутую методику, называемую атомно-зондовой томографией. Они сформировали извлечённый металл в игольчатые кончики шириной всего в десятки нанометров и затем по одному испаряли атомы с кончика, измеряя их массу и положение. Это позволило восстановить трёхмерные карты химического состава образца с почти атомным разрешением. Учёные обнаружили, что при остывании расплава кремний и кислород собираются в наноразмерные кластеры внутри железа. Что важно, эти кластеры также содержали большие количества водорода, образуя крошечные зоны, обогащённые всеми тремя элементами одновременно. Химические сигнатуры показали, что этот водород нельзя объяснить утечками газа в инструменте — он должен был происходить из самого экспериментального образца.

Сколько водорода поместится в ядре?

Поскольку водород и кремний связаны с кислородом в кластерах почти в равных молярных соотношениях, команда могла оценить содержание водорода в ядре, используя кремний в качестве прокси. В отличие от водорода, содержание кремния в ядре Земли относительно хорошо ограничено геофизическими моделями и экспериментами и лежит примерно в диапазоне от 2 до 10 масс. процентов. Принимая во внимание примерно одно к одному соотношение водорода и кремния, наблюдаемое в экспериментах, авторы делают вывод, что ядро Земли, вероятно, содержит от 0,07 до 0,36 масс. процента водорода. Проще говоря, это эквивалентно примерно 9–45 объёмам воды, содержащимся в современных океанах Земли.

Что это значит для истории воды на Земле

Эти результаты поддерживают представление о том, что Земля приобрела большую часть своей воды в основные этапы роста планеты, а не в основном за счёт поздних поставок от ледяных тел. Если в ядре хранится водород, эквивалентный десяткам океанов, то вся Земля в целом может содержать близко к 1 проценту воды по массе, если суммировать поверхность, мантию и ядро. На геологическом временном масштабе часть этого глубокого водорода, связанного в кремний- и кислородсодержащих фазах, может высвобождаться обратно в мантию и, возможно, влиять на вулканическую активность и долгосрочный водный цикл. Для неспециалистов ключевая идея проста: наша кажущаяся привычной синяя планета может скрывать в своём металлическом сердце объём водорода, сопоставимый с древним океаном, что меняет наше представление о происхождении воды на Земле и её циркуляции в глубинном интерьере.

Цитирование: 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

Ключевые слова: водород в ядре Земли, вода в глубинах Земли, планетарное аккрецирование, распределение металла и силикатов, атомно-зондовая томография