Металлическое ядро Земли, возможно, миллиарды лет понемногу отдает водород окружающей мантии. Новые расчёты показали, что необычный состав вулканических пород трудно объяснить одним лишь остыванием молодой планеты. Версия с обменом веществом между ядром и мантией лучше согласуется с наблюдениями, хотя прямого доказательства утечки пока нет.
Подсказку ученые нашли в соотношении двух разновидностей водорода. У обычного атома в ядре находится один протон, а у более тяжелого дейтерия к нему добавляется нейтрон. В некоторых базальтах с Баффиновой Земли и из Исландии дейтерия заметно меньше, чем ожидалось. Эти породы поднимаются из глубины вместе с мантийными плюмами, поэтому их химический состав позволяет заглянуть в процессы, которые происходят далеко под поверхностью.
До сих пор низкую долю дейтерия объясняли двумя основными сценариями. Либо необычный изотопный состав появился около 4,5 млрд лет назад, когда глобальный океан расплавленной породы постепенно застывал и превращался в мантию, либо более легкий водород позже поступил из металлического ядра.
Чтобы проверить первую версию, исследователи смоделировали поведение обычного водорода и дейтерия при огромных давлениях и температурах ранней Земли. Расчёты охватили переход водорода между расплавленной породой и минералами, которые образовывались по мере остывания магматического океана. Для сложных вычислений ученые ускорили моделирование с помощью машинного обучения.
Оказалось, что при кристаллизации две разновидности водорода разделялись слишком слабо. Молодая мантия должна была получить довольно однородное соотношение дейтерия и обычного водорода. Одного застывания магматического океана недостаточно, чтобы получить настолько бедные дейтерием породы, какие сегодня находят в районах глубинного вулканизма.
Авторы считают более вероятным другой сценарий. Во время формирования планеты часть легкого водорода могла попасть в металлическое ядро, а затем постепенно переходить через границу ядра и мантии. Мантийные потоки спустя миллиарды лет могли поднять химические следы этого вещества к поверхности.
Есть и дополнительная подсказка. Некоторые из тех же вулканических пород содержат необычно много гелия-3 по отношению к гелию-4. Гелий-3 относят к первичному веществу, сохранившемуся со времени формирования планеты, поэтому сочетание двух изотопных аномалий делает происхождение из глубин Земли более правдоподобным.
Моделирование при этом не показывает, как именно водород пересекает границу ядра и мантии и сколько вещества успело перейти за всю историю планеты. Работа прежде всего исключает одно из сильных альтернативных объяснений. Если дальнейшие исследования подтвердят перенос водорода из ядра, глубочайшие слои Земли придется считать не полностью изолированными друг от друга: обмен веществом между ними мог продолжаться значительную часть последних 4,5 млрд лет.