Неочікуване відкриття, що один із найлегших елементів у Всесвіті – гелій – може зв’язуватися із залізом за високого тиску, формуючи сполуку залізо-гелід, може докорінно змінити наше розуміння хімічного складу найглибших шарів планети.
Це відкриття свідчить про те, що гелій може бути присутнім у ядрі Землі, де залізо перебуває у найбільш стисненому стані. За даними команди під керівництвом фізика Харукі Такезави з Токійського університету, щільне залізне ядро нашої планети може містити значні запаси первинного гелію.
На Землі гелій існує у вигляді двох стабільних ізотопів. Найпоширеніший з них – гелій-4, ядро якого складається з двох протонів і двох нейтронів. Він становить 99,99986% всього гелію на планеті. Інший стабільний ізотоп – гелій-3, що складається з двох протонів і одного нейтрона, і його частка становить лише 0,000137%.
Неочікуване відкриття гелію може переписати історію формування Землі
Гелій-4 здебільшого утворюється внаслідок радіоактивного розпаду урану та торію в надрах Землі. Натомість гелій-3 є переважно первинним, тобто таким, що виник невдовзі після Великого вибуху. Частково він також утворюється під час розпаду тритію – ізотопу водню.
Цікаво, що під час виверження вулканів у газах, що вириваються з глибинних шарів Землі, виявляють невеликі кількості гелію-3. Це дозволило вченим припустити, що у мантії планети можуть бути пастки з первинним гелієм, захопленим ще з часів формування Сонячної системи. Однак нові дослідження команди Такезави вказують на можливу альтернативу.
«Я багато років вивчаю геологічні та хімічні процеси, що відбуваються в глибинах Землі. Для відтворення екстремальних умов ми часто використовуємо комірку з алмазним ковадлом, нагріту лазером, щоб створити необхідний тиск для зразків», – розповідає фізик Кей Хіросе з Токійського університету, у лабораторії якого проводилися експерименти.
Гелій у ядрі Землі: новий погляд на процеси всередині планети
У ході експериментів залізо та гелій піддавали тиску від 5 до 55 гігапаскалів і нагрівали до температури від 1000 до 3000 кельвінів. Такі умови відповідають тиску у 50 000-550 000 атмосфер. При цьому використовувалася методика охолодження зразків до кріогенних температур для збереження гелію в залізі.
Раніше дослідження показували, що гелій може зв’язуватися із залізом лише у надзвичайно малих концентраціях – кілька частин на мільйон. Однак у нових експериментах співвідношення гелію до заліза досягло 3,3%, що майже в 5000 разів перевищує попередні показники.
Це відкриття свідчить про те, що первинний гелій міг потрапити в ядро Землі ще на етапі її формування, зв’язуючись із залізом. Ба більше, аналогічні процеси могли відбуватися на Місяці та Марсі. Якщо це підтвердиться, первинний гелій у ядрі може бути джерелом гелію-3 у вулканічних газах, а не лише ізольованим резервуаром у мантії.
Крім того, якщо первинний гелій зберігся у великих кількостях, то й первинний водень міг бути присутнім під час формування Землі, що могло відіграти ключову роль у появі води на планеті. Подальші дослідження мають дати відповіді на ці запитання.
Результати дослідження були опубліковані в Physical Review Letters.
