Onder hoge druk blijken waterstof en ijzer de beste vrienden, zo laat nieuw Japans onderzoek zien. En dat heeft grote gevolgen voor ons beeld van de samenstelling van de aardkern.
Het binnenste van onze planeet bevindt zich maar een paar duizend kilometer onder onze voeten – en toch weten we er maar bar weinig van. Je kunt nu eenmaal niet zomaar een gat graven naar zulke grote dieptes, waar bovendien heel hoge temperaturen en dichtheden heersen.
Wel kunnen we in laboratoria experimenten doen die meer licht werpen op de aardkern. Zo hebben hoogleraar aardwetenschappen Kei Hirose van de Universiteit van Tokio en zijn team nu laten zien dat die enorm veel waterstof kan bevatten: tot meer dan zeventig keer de hoeveelheid in de oceanen aan het oppervlak.
Extreme omstandigheden
Het simpele beeld van de aardkern is dat het één grote bol ijzer is. Maar dat lijkt niet te kloppen: daarvoor is onder meer de dichtheid van de kern niet hoog genoeg. Er moeten dus ook lichtere elementen te vinden zijn.
Het allerlichtste element uit het periodiek systeem, waterstof, lijkt alleen in eerste instantie geen optie. Dat reageert onder normale druk en temperatuur namelijk niet met ijzer. En dan is moeilijk voor te stellen hoe het spul toch vanuit het magma in de aardmantel in het ijzer in de aardkern is beland.
Maar wat doet waterstof bij een druk tussen 30 en 60 gigapascal en temperaturen tussen 2800 en 4300 graden Celsius? Oftewel: de extreme omstandigheden waaronder de aardkern miljarden jaren geleden ontstond?
Overgrote deel
Dat onderzochten Hirose en collega’s door de stoffen waar de aardmantel en de aardkern uit bestaan – waterhoudende magma en ijzer – met diamanten aambeelden tegen elkaar aan te persen. Bovendien verhitten ze het monster met laserstralen. Hun conclusie: onder deze omstandigheden wordt waterstof siderofiel – wat betekent dat het goed oplost in gesmolten ijzer.
Via verschillende modellen concluderen de onderzoekers vervolgens dat tussen de 0,3 en de 0,6 procent van de massa van de aardkern voor rekening van waterstof komt. Dat komt neer op 37 tot 73 keer zoveel waterstof als nu in alle oceanen bij elkaar te vinden is. De waterstof uit het overgrote deel van het water dat tijdens de vorming van de aarde hier terecht is gekomen, zou zich nu dus in de aardkern bevinden.
‘Prachtig werk’
Wim van Westrenen, hoogleraar planeetevolutie aan de Vrije Universiteit Amsterdam, noemt de studie ‘prachtig werk’. ‘Het is heel moeilijk om onder dit soort extreme omstandigheden metaal en magma met elkaar in evenwicht te brengen. Waterstof is extra vervelend, omdat deze stof supergemakkelijk uit je experiment verdwijnt als je dat verhit. En dan is het ook nog eens heel lastig om de hoeveelheid waterstof in de ontstane stoffen te bepalen.’ Het team van Hirose heeft volgens Van Westrenen ‘op al die punten zijn uiterste best gedaan’, wat ‘de beste data die we hebben op dit gebied’ heeft opgeleverd.
Wel merkt hij op dat de hoeveelheid waterstof in het metaal niet direct is bepaald. ‘De onderzoekers hebben gemeten hoeveel ijzerverbindingen er na de experimenten aanwezig waren en daar het waterstofgehalte uit afgeleid. Daar zit wat onzekerheid in. Maar de conclusie dat waterstof liever in gesmolten ijzer dan in magma zit, zal door een betere bepaling niet veranderen.’
