Um den Erdkern zu simulieren, verwendeten die Forschenden eine wasserhaltige Kristallkapsel, in der ein winziges Stück metallisches Eisen eingebettet war. Mit Laser erhitzten sie dann diese Kapsel, bis das Eisen flüssig wurde und sich die Elemente Silizium, Sauerstoff und Wasserstoff aus der Kapsel in das geschmolzene Eisen hinein bewegten. Anschliessend kühlten die Forscher die Kapsel sofort ab und machten die einzelnen Atome dreidimensional sichtbar.
«Die grösste Herausforderung bestand darin, Wasserstoff unter solch extremen Bedingungen im Nanobereich nachzuweisen. Mithilfe modernster Tomografie konnten wir schliesslich visualisieren, wie sich diese Atome innerhalb des metallischen Eisens verhalten», sagt Dongyang Huang, ehemaliger Postdoktorand in Murakamis Forschungsgruppe und Erstautor der Stude.
Wasserstoffgehalt grösser als erwartet
Um den gesamten Wasserstoffgehalt des Kerns zu bestimmen, nutzten die Forschenden zwei Werte: einerseits das Verhältnis von Wasserstoff zu Silizium, das sie im Experiment ermittelten, andererseits den aus anderen Studien bekannten Siliziumanteil des Erdkerns.
Das Ergebnis: 0,07 bis 0,36 Prozent der Kernmasse bestehen aus Wasserstoff. Wenn man daraus Wasser bilden würde, entspräche das etwa 9- bis 50-mal der Wassermenge aller heutigen Ozeane. Der Erdkern dürfte also deutlich mehr Wasserstoff enthalten als ältere Modelle annehmen.
Wasserstoff kam früh hinzu
Die Resultate verändern auch das Bild davon, wie die Erde entstanden ist. Wenn so viel Wasserstoff schon während des Wachstums der Erde in den Kern gelangte, dann muss der Grossteil davon sehr früh vorhanden gewesen sein.
«Das spricht eher dagegen, dass der Wasserstoff von Kometen stammt, die erst nach der Entstehung in die junge Erde einschlugen», betont Murakami. Die Ergebnisse deuten zudem darauf hin, dass der Kern das grösste Wasserstoffreservoir des Planeten sein könnte – grösser als Ozeane, Atmosphäre und Mantel zusammen.
«Die Ergebnisse verbessern unser Verständnis der tiefen Erde. Sie liefern Hinweise darauf, wie Wasser und andere flüchtige Stoffe im frühen Sonnensystem verteilt wurden und wie die Erde zu ihrem Wasserstoff kam», erklärt Murakami.
Wasserstoff im Kern beeinflusst Magnetfeld
Verborgener Wasserstoff im Kern könnte viele Prozesse im Erdinnern beeinflussen: vom Entstehen des Magnetfeldes bis zum langfristigen Austausch von Wasserstoff zwischen Kern und Mantel. Über Milliarden Jahre könnte ein Teil dieses tief gespeicherten Wasserstoffs langsam zur Oberfläche zurückkehren und Vulkanismus und die Dynamik des Erdmantels beeinflussen.
Zudem helfen die Ergebnisse, Exoplaneten zu modellieren, da die Verteilung von Wasserstoff und anderen Elementen entscheidend dafür ist, ob ein Planet einen Metallkern besitzt oder kernlos bleibt. Und nicht zuletzt liefert die Studie neue Grundlagen für geochemische Modelle des Erdmantels und des globalen Wasserkreislaufs.
«Das Wasser, das wir heute an der Erdoberfläche sehen, ist vielleicht nur die sichtbare Spitze eines gigantischen Eisbergs, tief im Inneren der Erde», betont der ETH-Professor.