Водород в ядре Земли, выявленный с помощью нейтронной визуализации и дифракции

Скрытый резерв самого лёгкого элемента Земли

Водород известен прежде всего как основной компонент воды и Солнца, но это исследование указывает на то, что огромные его количества могут также быть заперты глубоко в металлическом ядре нашей планеты. Воссоздавая интенсивные давления и нагрев, характерные для областей под поверхностью Земли, и наблюдая, как ведёт себя водород в расплавленном железе, авторы открывают новый взгляд на состав ядра и на процесс формирования планеты.

Почему ядро Земли кажется слишком лёгким

Сейсмические волны показывают, что ядро Земли имеет меньшую плотность, чем сфера из чистого железа и никеля. Чтобы объяснить эту «недостающую» массу, учёные предположили, что в ядро смешаны более лёгкие элементы, такие как кремний, сера, кислород, углерод и водород. Водород особенно интересен, поскольку он был обилен в ранней Солнечной системе и легко растворяется в железе при очень высоких давлениях. Однако измерить, сколько водорода действительно входит в жидкое железо, было сложно, потому что образующиеся при давлении гидриды железа распадаются при возвращении к нормальным условиям.

Наблюдение водорода в расплавленном железе

Исследователи решили эту проблему, используя пучки нейтронов — частиц, которые легко проходят через металл, но сильно взаимодействуют с водородом. На мощном нейтронном источнике в Японии они поместили крошечный образец железа совместно с богатым водородом материалом в многосферный пресс, сжав его до примерно 3–3,5 гигапаскалей и нагрев до 1400 кельвинов, что похоже на условия у основания раннего океана магмы на молодой Земле. Нейтронная дифракция, показывающая расположение атомов, выявила момент перехода железа из твёрдой кристаллической фазы в полностью расплавленное состояние. Нейтронная визуализация, фиксирующая, насколько сильно образец поглощает нейтроны, показала, сколько водорода проникло в железо на каждом этапе.

Преобразование нейтронных теней в числа

Чтобы перевести нейтронные изображения в содержание водорода, команда сначала откалибровала, как меняется массовое поглощение нейтронов при добавлении всё большего количества водорода в твёрдое железо. Они показали, что поглощение увеличивается почти линейно с долей водорода, что позволило построить простую калибровочную кривую. Для расплавленного железа плотность напрямую не известна, поэтому они совместили свои измерения с продвинутыми компьютерными моделями жидкого гидрида железа, связывающими давление, температуру и состав с плотностью. Сложив эти части вместе, они вывели, что жидкое железо при 3,4 гигапаскалях и 1400 кельвинах может содержать около 0,17 мас.% водорода.

От лабораторной капсулы к планетарному ядру

Далее авторы использовали модифицированную форму классического правила — закона Сивертса, который связывает количество растворённого в металле водорода с давлением и температурой окружающего водорода. Оперевшись на свой экспериментальный результат, они рассчитали, сколько водорода может поглотить расплавленное железо у основания глубокого океана магмы под богатой водородом ранней атмосферой. При таких благоприятных условиях они оценивают, что формирующаяся жидкая железная фаза ядра могла содержать порядка 0,6–0,7 мас.% водорода. По мере того как ядро позднее разделилось на жидкую внешнюю оболочку и твёрдое внутреннее ядро, водород преимущественно остался в жидкости, отчего внешний слой оказался богаче водородом, чем внутреннее ядро.

Что это значит для глубоких областей Земли

Используя стандартные модели внутреннего строения Земли, команда перевела эти проценты в впечатляющий баланс: ядро могло бы хранить 72–87 раз больше водорода, чем все современные океаны вместе взятые. В их сценарию только внешнее ядро содержало бы 70–85 эквивалентов океана по запасам водорода, а внутреннее ядро — меньшую, но всё ещё значительную долю. Такие количества способны объяснить более половины наблюдаемого дефицита плотности внешнего ядра, если бы водород был единственным лёгким элементом там. На практике, вероятно, в ядре присутствуют и другие элементы, но эта работа показывает, что водород уже нельзя рассматривать как второстепенного участника в формировании структуры и эволюции глубочайших областей Земли.

Новый кусок в истории происхождения Земли

Для неспециалиста главный вывод в том, что ядро Земли может быть огромным скрытым резервуаром водорода, сопоставимым или превосходящим запасы воды на поверхности. Прямо измерив водород в расплавленном железе при реалистичных условиях, а не полагаясь на косвенные показатели, это исследование усиленно поддерживает идею, что богатая водородом ранняя атмосфера и расплавленный мантия снабжали формирующееся ядро обильными количествами самого лёгкого элемента. Этот тихий запас водорода продолжает влиять на планету и сегодня через своё влияние на плотность, динамику и магнитное поведение ядра.

Цитирование: 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

Ключевые слова: Ядро Земли, водород в железе, нейтронные эксперименты, мировой океан магмы, формирование планет