Стивен Якобсен никогда не собирался становиться геофизиком. По крайней мере, в то время, когда он начал учиться в Университете Колорадо в начале 1990-х годов. Изначально он намеревался специализироваться на музыке или бизнесе. Но после того как он случайно выбрал курс геологии, чтобы соответствовать требованиям науки школы, он решил следовать другим путем и не пожалел об этом.

Сам Якобсен отмечает, что в детстве ему нравилось проводить время на улице, собирая камни. Поэтому, когда он попал в новую для себя сферу, очень обрадовался. Теперь он изучает не только камни, но и воду, скрытую под ними. Чем больше он и другие исследователи наблюдают, тем больше воды они находят в недрах Земли, даже если она не похожа на ту жидкость, с которой мы хорошо знакомы.

При экстремальных температурах и давлениях, существующих глубоко под землей, вода распадается на составные элементы. К ним относится водород и кислород. Они химически связаны с кристаллической структурой породы. Но для геофизиков это все равно вода, независимо от того, какую форму она принимает.

Напрашивается логичный вопрос: сколько этой воды погребено под поверхностью планеты? Ответ на него мог бы помочь объяснить пригодность недр нашей планеты для жизни и рассказать, как вся эта масса туда попала.

  • Заглядывая под камни

В начале карьеры Якобсена его научным руководителем был Джозеф Смит, геолог. Он доказал, что минерал под названием вадслеит теоретически может содержать значительное количество воды. Вадслеит и его родственник, рингвудит, являются двумя основными компонентами переходной зоны между верхней и нижней мантией Земли. Они находятся примерно в 250-410 милях под поверхностью.

Когда в середине 1990-х годов Якобсен приступил к собственным исследованиям, он хотел знать, сколько воды на самом деле может храниться в этих богатых минералах, то есть, каково ее максимальное количество?

Поскольку вадслеит и рингвудит обычно не существуют на земной поверхности, Якобсен почти 15 лет синтезировал их в своей лаборатории, имитировал соответствующие условия в плане температуры и давления. Он детально исследовал эти минералы с той целью, чтобы определить, как быстро сейсмические волны могут проходить через образцы, содержащие различное количество воды. В дальнейшем он использовал эту информацию для оценки содержания воды в подземных породах.

  • Земные слои

Земные слои

Геофизики находят все больше воды глубоко под поверхностью Земли, особенно в переходной зоне, которая полна водоносных минералов. Якобсен подтвердил тот факт, что минералы действительно могут содержать значительное количество водных элементов, которые, в свою очередь, входят в структурный состав горных пород. Но поскольку его оценки были намного выше, чем общепринятые результаты, он не решался опубликовать их до тех пор, пока не получит больше доказательств.

Все изменилось в 2014 году, когда Грэм Пирсон из Университета Альберты сообщил о своем исследовании крошечного алмаза, найденного в Бразилии. Образованный в переходной зоне, минерал содержал минимальное количество рингвудита внутри. А внутри него – около 1 процента воды (по массе). Возможно, это звучит не слишком убедительно, но, учитывая повсеместное распространение минерала в переходной зоне, Якобсен знал, что он может получить много Н2О.

Между тем, эксперименты Якобсена показали, что присутствие воды в рингвудите снизит температуру плавления породы в основании переходной зоны. Это означает, что водоносная порода там, вероятно, содержит жидкие пятна. Такая картина наблюдается не потому, что она влажная, а потому, что ее части расплавлены.

Примерно в то же время Якобсен, работая в Северо-Западном университете, объединился с геофизиком из Университета Нью-Мексико Брэндоном Шмандтом. Шмандт исследовал мантию Земли с помощью технологии «USArray», которая включает в себя сеть из 400 портативных сейсмографов. Якобсен сказал Шмандту о том, что если в мантии так много воды, то там должны быть расплавы.

  • К чему пришли эксперты?

Объединив свои данные, исследователи выявили обширные участки расплавленного материала в пределах переходной зоны и чуть ниже нее. Результаты этого эксперимента были опубликованы через три месяца после открытия алмаза Пирсоном. К тому времени становилось все более ясно, что переходная зона полна воды.

Сколько именно воды в ней находится? Если образец рингвудита репрезентативен, то там примерно в два раза больше воды, чем во всех поверхностных океанах Земли. Только одна из этих «океанских масс» составляет около 1,5 миллиарда миллиардов тонн.

С тех пор были обнаружены признаки дополнительной воды – как над переходной зоной, так и под ней. В 2016 году Якобсен, работавший вместе с Пирсоном, добыл еще один алмаз в Бразилии на глубине более 600 миль. Он был выброшен на поверхность во время извержения вулкана около 90 миллионов лет назад.

Вместо рингвудита этот алмаз имел дефект, состоящий из ферропериклаза – одного из основных компонентов нижней мантии. Этот компонент содержал всего лишь долю процента воды по весу. Но учитывая размеры нижней мантии, составляющей половину общей массы планеты, Якобсен полагает, что она могла бы вместить, возможно, еще одну океаническую массу воды, распределенную между породами этого слоя.

Вся эта вода под поверхностью Земли не просто стоит на месте: она движется по кругу и как бы «подтягивается» тектоническими плитами. Важное объявление поступило в 2018 году от Дуга Винса и его коллег из Вашингтонского университета в Сент-Луисе. Они следили за Марианской впадиной, включающей самую низкую точку океана, около 36 000 футов глубиной. Там тихоокеанская плита погружается далеко под соседнюю филиппинскую морскую плиту. Этот процесс называется субдукцией и уносит с собой большое количество поглощенной воды.

Команда Винса использовала сеть из 20 сейсмографов океанского дна для измерения содержания воды и обнаружила, что количество жидкости, отложившейся на глубине от 60 до 100 миль под морским дном, более чем в четыре раза превышает предыдущие оценки.

Якобсен поясняет, что на сегодняшний день изучена океаническая масса в океанах и в верхней мантии. В земной коре и нижней мантии может содержаться еще одна океаническая масса. В общей сложности их количество достигает пяти. Эта цифра даже не учитывает ядро нашей планеты, которое может содержать дополнительные компоненты воды.

  • Вода — для чего она нужна?

Вода имеет такое же решающее значение для работы земных недр, как и для процессов на поверхности Земли. Так считает геофизик Колумбийского университета Донна Шиллингтон. Ведь именно вода делает породы менее жесткими и обеспечивает тектонику плит. Это мнение выразил геофизик Университета штата Огайо Венди Панеро. Последний аспект является главной частью того, что делает эту планету пригодной для проживания.

В начале своей карьеры Якобсен не интересовался тем, откуда берется земная вода. Но по мере того, как росли оценки подземных вод, он начал более пристально изучать скорость, с которой вода может переноситься на большие глубины через тектонику плит и субдукцию. Его расчеты показывают, что для перемещения воды из океанов в мантию могут потребоваться миллиарды лет, что примерно соответствует возрасту нашей планеты.

По этой причине Якобсен ставит под сомнение вывод, к которому пришли многие астрономы, а именно, что большая часть земной воды была доставлена на поверхность астероидами и кометами. Вместо этого он полагает, что с момента образования планеты здесь должно было находиться значительное количество воды. При этом большая часть воды в наших нынешних океанах была «выжата» из горных пород внизу.

По мнению редакции портала новостей «Центропресс», ученым удается все глубже и глубже заглянуть в механику естественных процессов, происходящих на планете. Пока все эти исследования носят объяснительный характер, однако, вероятно, что в скором времени полученным данным будет найдено и практическое применение.