Záhada zemského jádra

Jádro naší planety se skládá z roztaveného kovu. Je však o něco lehčí, než by mělo být. Vědci nyní vytvořili teorii, která vše vysvětluje. Zároveň také odhaduje celkové množství vody na naší planetě. (délka blogu 5 min)

Podle dnes platných představ je tekutá voda na povrchu planety nutná pro vznik života - tedy života takového typu, jaký známe. Voda je tedy jedním z komponentů, které vědci hledají na exoplanetách, když uvažují, že by na nich mohl být život. 

Kde se ale na exoplanetách vůbec bere voda - a jak se dostala na naši vlastní planetu? 

Pozemská voda

Část vody přinesly v minulosti na Zemi obrovská ledová tělesa. Zdá se ale, že značná část vody pochází také přímo z oblaku plynu a prachu, ze kterého kdysi vznikala Sluneční soustava. 

Tento materiál se skládal mimo jiné z molekul různých plynů. Volný plyn se ve vnitřní části soustavy (tam, kde se formovala budoucí Země) neudržel. Sluneční vítr tehdy ještě velice neklidné mladé hvězdy ho doslova odfoukl do větších vzdáleností, kde pak z tohoto materiálu vznikaly obří planety typu Jupiteru. 

Určitá část vody byla ale chemicky vázaná v prachových zrnkách a odfouknout se nedala… 

Voda se tedy na naší planetě nevyskytuje jen v oceánech a mořích. Velké množství vody je obsaženo také v materiálu zemské kůry a zemského pláště. Jedná se o chemicky vázanou vodu, která je chemickými vazbami poměrně pevně napojena na jiné atomy v molekulách silikátů. 

Silikáty

... jsou velkou skupinou různých chemických sloučenin, které mají jedno společné: obsahují ve svých molekulách skupinu SiO - křemík spojený s kyslíkem. 

Křemík je velice zajímavých chemický prvek. Patří do stejné chemické skupiny jako uhlík, který je “nejohebnějším” prvkem ve vesmíru. Uhlík tvoří něco, čeho nejsou ostatní prvky schopné - obrovské množství nejrůznějších vazeb. Vytvářejí se tak různorodé organické sloučeniny. 

Jeho kolega křemík je mu sice podobný, ale takové rozmanitosti už schopen není - je těžší a daleko “línější”. Ale i u něj se pozoruje schopnost tvorby komplikovaných sloučenin. Jsou jimi právě zmiňované silikáty. 

Při poměrně nízkých teplotách a tlacích rády chemicky váží vodu. Umí s vodou a jinými prvky dokonce vytvářet složité vrstvené struktury. Když celou věc zjednoduším, mohu napsat, že je znáte pod pojmem … bláto.

Kůra naší planety a její plášť se skládají převážně ze různých silikátů (lidově jim souhrnně říkáme kamení). Chemicky vázané vody je v nich opravdu dost. Je jí kupodivu dokonce tolik, že by naplnila hned několik oceánů. 

Vznik planety

Kamenné planety se formují díky gravitační přitažlivosti hmoty prachových zrnek a elektromagnetické interakci. Ta se vzájemně srážejí a lepí se k sobě. Objekty neustále zvětšují své rozměry a hmotnost. Původní materiál je tedy nediferencovaný a všechny prvky, ze kterých se zrnka skládala, jsou rozptýleny poměrně rovnoměrně. 

Neustálé srážky vedou ale také k zahřívání takto vzniklých těles - a větší objekty se této tepelné energie už nestihnou včas zbavit vyzařováním. Výsledkem je nárůst teploty v nitrech budoucích protoplanet. Gravitace se pak postará o to, že těžší prvky v roztaveném materiálu klesají do centra objektu a lehčí se usazují na jeho povrchu. Děje se tak samozřejmě jen u opravdu velkých těles, kde je gravitace i teplota dostatečně vysoká. Železo a nikl (prvky, které jsou obsažené v původní prachoplynné mlhovině) pak vytvářejí jádra planet,  zatímco lehčí silikáty se usazují na povrchu a tvoří kamenný plášť a kůru nové planety. 

Co se při takových procesech ale děje s chemicky vázanou vodou? 

Vědci provedli řadu pokusů, při kterých se zjistilo, že voda, obsažená v silikátech, při velkých tlacích a teplotách mění své vlastnosti. 

Vodík, který voda obsahuje, se při podmínkách, které panují hluboko pod povrchem planety, stává siderofilním prvkem. To znamená, že se už neváže přednostně v silikátech, ale opouští je - a dává přednost kovům. Vodík se tedy může ze silikátů odtrhnout a navázat se na kovy, které tvoří jádro planety. To bylo poměrně překvapivým zjištěním. Vědce ale nadchlo. Vysvětluje totiž jiný fenomén, který byl až dosud nejasný. 

Záhada vnějšího jádra

Seismická měření totiž ukazují, že vnější tekuté jádro Země musí obsahovat kromě železa a niklu i některé další prvky. Jeho hustota není dostatečně vysoká na to, aby byla čistou slitinou těchto dvou kovů. Jak by se tam ale lehké prvky dostaly? 

Připomeňme si, že kovy jsou těžké a že to byla právě gravitace, která těžké komponenty stáhla do nitra tělesa, kde vytvořily jádro. Gravitace je základní vesmírná síla, která je neúplatná. 

Nyní se zdá, že hádanku řeší vodík, který je sice nejlehčím chemickým prvkem, díky své afinitě ke kovům (při vysoké teplotě a tlaku) by se ovšem přeci jen mohl do jádra dostat.  

A tak obsahuje kovové jádro naší planety mnohem více vodíku, než se dříve myslelo. Je to až 70 krát více než se nachází ve všech světových oceánech. 

Důkazem jsou experimenty při vysokých tlacích a teplotách, ve kterých vědci napodobovali podmínky při tvorbě mladé Země. Zjistili tak, že vodík může být hlavní příměsí nejen zemského jádra, ale také kovových jader ostatních vesmírných objektů, které jsou těžší než 10 % zemské hmotnosti. 

Další kamínek do mozaiky

Do velké mozaiky, kterou vědci skládají, se tak podařilo usadit další pomyslný kamínek. Pokud by vodík v materiálu oblaku plynu a prachu, ze kterého vznikala Země, neprojevil svou lásku ke kovům, musela by všechna voda zůstat na povrchu planety - v materiálu silikátů. Mohla by se pak ze silikátů uvolňovat a postupně pokrýt celou naši planetu. V jádru Země se totiž může nacházet tolik vodíku, že by stačil na tvorbu 70 dnešních oceánů. 

Na planetě, která tak byla zcela pokryta vodou, se jistě mohl vytvořit život. Byl by to ale život, který je poměrně primitivní. 

Neměl by přístup k technologiím, na které jsme dnes zvyklí. Pod vodou se nedají extrahovat kovy ani vynalézt elektřina… 

Za náš život, jak ho známe, tedy vděčíme mimo jiné také základní vlastnosti nejjednoduššího chemického prvku - vodíku. Při vysokých tlacích a teplotách se raději váže na kov než na silikáty. Ty jsou mu dobré jen tehdy, když vysoký tlak a teplota poleví. 

Zdroje:https://www.nature.com/articles/s41467-021-22035-0, https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2018JE005698