اكتشاف هيدروجين نواة الأرض وأسرار تكوينها

اكتشافات جديدة حول كمية الهيدروجين في لب الأرض

تخيل كل محيطات الأرض، التي تغطي حوالي 70% من الكوكب وتتكون في معظمها من الهيدروجين. والآن اضرب ذلك في تسعة. قد تكون هذه هي كمية الهيدروجين الموجودة في نواة الأرض، مما قد يجعلها أكبر خزان هيدروجين على الكوكب، حسب تقديرات الباحثين مؤخراً.

ما هي كمية الهيدروجين المتوقعة في لب الأرض؟

و"محيطات" الهيدروجين التسعة هي الحد الأدنى لحساباتهم؛ فقد يكون هناك ما يصل إلى 45 محيطاً من الهيدروجين محبوساً في اللب. وبعبارة أخرى، قد يشكل الهيدروجين ما يقرب من 0.36% إلى 0.7% من إجمالي وزن نواة الأرض، حسبما أفاد العلماء يوم الثلاثاء في مجلة Nature Communications. وقال مؤلف الدراسة الرئيسي دونغيانغ هوانغ، وهو أستاذ مساعد في كلية علوم الأرض والفضاء في جامعة بكين، إن هذا يشير إلى أن الأرض اكتسبت معظم مياهها المصدر الرئيسي للهيدروجين على الكوكب أثناء تشكل الكوكب، وليس في وقت لاحق من خلال ارتطام المذنبات التي كانت ستترك الماء على سطح الكوكب كما اقترح بعض العلماء.

أهمية الهيدروجين في تكوين الأرض

"وقال هوانغ : "كان قلب الأرض سيخزن معظم المياه في أول مليون سنة من تاريخ الأرض. ويأتي بعد ذلك في وفرة المياه الوشاح والقشرة الأرضية. وقال: "يحتوي السطح حيث تتواجد الحياة على أقل قدر من المياه".

العمليات الجيولوجية التي شكلت لب الأرض

منذ أكثر من 4.6 مليار سنة مضت، اصطدمت الصخور والغاز والغبار حول شمسنا لتشكل كوكباً يافعاً. وبمرور الوقت، شكلت هذه التصادمات لب الأرض و وشاحها وقشرتها. وفي باطن الأرض العميق وتحت ضغط هائل، بدأت نواة معدنية كثيفة وساخنة ومائعة في التماوج. مصنوعة في الغالب من الحديد والنيكل، وهي تعمل على تشغيل المجال المغناطيسي الواقي للأرض.

كيف تشكلت نواة الأرض؟

وقال راجديب داسغوبتا، أستاذ علوم أنظمة الأرض في قسم علوم الأرض والبيئة والكواكب في جامعة رايس في تكساس: "لا يمكن للهيدروجين أن يدخل السائل المعدني المكون لللب إلا إذا كان متاحاً خلال مراحل النمو الرئيسية للأرض وشارك في تكوين اللب". لم يشارك داسغوبتا في البحث الجديد.

التحديات في قياس كمية الهيدروجين

تُعد دراسة أصل الهيدروجين وتوزيعه أمرًا أساسيًا لفهم تكوين الكواكب وتطور الحياة على الأرض. وقد تساءل العلماء منذ فترة طويلة عن كمية الهيدروجين التي قد تكون مدفونة في المحرك المعدني المنصهر للأرض، وقاموا بتحليل التفاعلات الكيميائية في الحديد لمحاولة تقدير مخزون الهيدروجين في اللب المعدني. لكن النواة عميقة جداً بحيث لا يمكن رصدها مباشرة، كما أن ظروف الضغط العالي فيها صعبة التكرار في المختبر.

الطرق المستخدمة في قياس الهيدروجين

وبشكل عام، من الصعب قياس كمية الهيدروجين "لأنه أخف وأصغر العناصر، مما يعني أن قياسه الكمي يفوق قدرات الطرق التحليلية الروتينية"، كما قال هوانغ.

وقد ألمحت الكثافة المنخفضة في النواة في السابق إلى وفرة الهيدروجين، على الرغم من أنه كان من الصعب على العلماء تحديد الكمية مقارنة بالعناصر الأساسية الأخرى المعروفة التي كان قياسها أسهل إلى حد ما، مثل السيليكون والأكسجين. وقد استنتجت الأبحاث السابقة كمية الهيدروجين في اللب باستخدام حيود الأشعة السينية للنظر إلى البنية الشبكية في بلورات الحديد، والتي تتمدد أكثر عند وجود الهيدروجين. لكن هذه التفسيرات تفاوتت على نطاق واسع، حيث تراوحت بين 10 أجزاء في المليون بالوزن إلى 10000 جزء في المليون (أو 0.1 محيط إلى أكثر من 120 محيط)، وفقاً للدراسة.

قال هوانغ: "تختلف هذه التقنية اختلافًا جوهريًا عن الطرق السابقة". حيث يقوم الباحثون بشحذ العينات إلى أشكال تشبه الإبرة بأقطار تبلغ حوالي 20 نانومتر (0.0000007874 بوصة)، ثم يضعونها تحت جهد كهربائي عالٍ يتم التحكم فيه بدقة. وأوضح أنه بعد ذلك، يتم تأيين ذرات العينات وحسابها واحدة تلو الأخرى.

التقنيات الحديثة في دراسة الهيدروجين

ولإيجاد التقدير الجديد، أجرى العلماء تجارب تحاكي درجات الحرارة والضغط في النواة باستخدام الحديد كبديل للنواة المعدنية السائلة. وقاموا بصهر الحديد بالليزر في جهاز عالي الضغط يسمى خلية السندان الماسية، ثم رصدوا مباشرة الهيدروجين والعناصر الأساسية الأخرى باستخدام التصوير المقطعي بالمسبار الذري، الذي يلتقط صوراً ثلاثية الأبعاد ويقيس التركيب الكيميائي على المقياس الذري.

التجارب التي أجريت لمحاكاة ظروف اللب

وقال هوانغ إن هذا النهج يعتمد على افتراضات حول كيفية ترتيب الذرات في لُب الأرض وكيفية انتشار السيليكون والأكسجين والهيدروجين هناك. وقد كشفت تجاربهم عن كيفية تفاعل الهيدروجين مع السيليكون والأكسجين في البنى النانوية أثناء تبريد المعدن، حيث كانت نسبة الهيدروجين إلى السيليكون 1 إلى 1 تقريباً. ومن خلال الجمع بين ملاحظات هذه النسب في العينات مع التقديرات السابقة للسيليكون الأساسي، تمكن الباحثون بعد ذلك من تقدير كمية الهيدروجين في اللب.

نتائج التجارب وتأثيرها على فهمنا

وقال هوانغ إن التفاعل الذي لاحظوه بين السيليكون والأكسجين والهيدروجين في البنى النانوية الحديدية يقدم أدلة على الكيفية التي ربما تكون الحرارة قد انطلقت من اللب إلى الوشاح لبدء عملية بناء المجال المغناطيسي للأرض، "وهو أمر لا غنى عنه لتطوير الأرض إلى مكان صالح للسكن".

الشكوك والتحديات المستقبلية

ومع ذلك، حذر العلماء من أن هناك حاجة إلى مزيد من العمل لتأكيد هذا التقدير وضبطه، لأن هذا النهج غير المباشر يتضمن أوجه عدم اليقين ولا يتناول التفاعلات الكيميائية الأخرى التي قد تؤثر على حسابات الهيدروجين في اللب.

أوجه عدم اليقين في التقديرات الحالية

وقال كي هيروسي، الأستاذ في كلية العلوم بجامعة طوكيو الذي يدرس تكوين لب الأرض لكنه لم يشارك في البحث الجديد، إن كمية الهيدروجين في اللب قد تكون أعلى بكثير مما يشير إليه التقدير الجديد.

وجهات نظر العلماء حول النتائج

ويتمثل أحد مجالات عدم اليقين في مقدار الهيدروجين في عينات الحديد التي تسربت أثناء تخفيف الضغط؛ وقد تم توثيق هذا الفقدان في دراسات أخرى ولكن لم يتم تضمينه في الحسابات الجديدة. وقد قدرت أعمال هيروز سابقاً أن الهيدروجين يشكل ما بين 0.2% إلى 0.6% من وزن نواة الأرض، "أكثر مما اقترحته هذه الورقة البحثية الجديدة"، كما قال.

وقال داسغوبتا إنه إذا كانت قياسات المؤلفين وفرضيتهم صحيحة، "فسيشير ذلك إلى أن الهيدروجين كان يُوصل طوال فترة نمو الأرض". وأضاف هيروسي أن الغاز من السدم وكذلك المياه من المذنبات والكويكبات ربما كانت أيضاً مصدراً للهيدروجين على الأرض.

الهيدروجين عنصر أساسي للحياة على الأرض، "إلى جانب الكربون والنيتروجين والأكسجين والكبريت والفوسفور"، كما قال داسغوبتا، الذي يبحث في الدور الذي لعبته هذه العناصر المتطايرة أثناء تكوين الأرض. "من المؤكد أن الورقة البحثية الجديدة ستفيدنا في تركيبنا ومناقشاتنا المستقبلية حول هذا الموضوع.".