Геохимик по-новому исследует глубокий углеродный цикл.

В 1958 году в Смитсоновский институт по почте пришла обычная посылка. Единственным намеком на ее содержимое была страховка на коричневой упаковке, где значилась сумма в один миллион долларов. Внутри коробки находился самый крупный голубой алмаз в мире.

Прежде чем попасть в музей, алмаз Хоупа проделал длинный путь по ювелирным рынкам Лондона, пережил казнь Марии-Антуанетты и французскую революцию, которая отправила в отставку сокровища короны. Но за миллиард лет до того, как алмаз нашли, огранили, вставили в оправу и застраховали, его история началась где-то на глубине полутора сотен километров под индийской Голкондой.

Слово «алмаз» происходит от греческого «adamas», что означает «непобедимый». Алмазы – это самые прочные из известных нам минералов, и нанести царапины на их поверхность можно только при помощи других алмазов. По этой причине сегодня их используют при изготовлении оружия (эти камни оказались настолько полезными в годы Второй мировой войны, что Соединенные Штаты объявили одной из главных целей в войне с Гитлером лишение его поставок промышленных алмазов). Столь прочным этот драгоценный камень делает его молекулярная структура. Алмазы состоят из связанных воедино атомов углерода. Каждый атом имеет общие электроны с четырьмя другими атомами, формируя пятигранную решетчатую структуру, обладающую невероятной прочностью. В одном карате содержатся миллиарды таких связанных между собой атомов.

Но углерод создает такую кристаллическую структуру только под воздействием огромного давления и высоких температур, которые существуют на глубине сотен километров под земной поверхностью. Углерод существует во множестве видов, являясь одним из самых многочисленных элементов на нашей планете. Это химическая основа любой известной нам формы жизни. Мы часто слышим про углерод, когда идет речь о климатических изменениях. В результате сжигания ископаемого топлива для получения энергии и работы транспорта в атмосферу выбрасывается двуокись углерода, и на ее долю, например, приходится около 83% всех выбросов парниковых газов в США. Но есть и другой цикл, в котором углерод играет важнейшую роль. Он известен как глубокий углеродный цикл. Хотя цикл этот мог сыграть важнейшую роль в зарождении жизни, до недавнего времени мы почти ничего не знали о том, в какие реакции вступает углерод возле земного ядра, и даже сколько его хранится под поверхностью Земли. Ответы на эти вопросы могут дать новую информацию о продолжительности жизни на нашей планете.

По этой причине в 2009 году был начат проект Deep Carbon Observatory. Это международная, рассчитанная на десять лет инициатива, в которой участвуют ученые из самых разных областей, специализирующиеся на глубоком углеродном цикле. Вот что говорит геохимик из Университета Джонса Хопкинса и один из участников программы Deep Carbon Observatory Дмитрий Сверженский (Dimitri Sverjensky): «Углеродный цикл в земных недрах – это та область исследований, которой пренебрегали до запуска нашей программы пять лет тому назад. Эти исследования помогут нам установить связь между углеродным циклом и текущими глобальными изменениями».

Недавно Сверженский рассчитал, сколько углерода и каких типов находится в жидкостях глубоко под земной поверхностью. Он опубликовал статью в Nature Geoscience, где указал на то, что на глубине 80-160 километров в жидкостях существуют многие разновидности органического углерода. Эти жидкости могли попасть с поверхности в верхнюю мантию в виде маленьких растений и ракушек через тектонические разломы, образующиеся при движении земной коры.

Это важная новость, потому что до настоящего времени ученые не знали, какое количество углерода может сконцентрироваться в жидкости на такой глубине. Мы по-прежнему очень мало знаем о том, что на такой большой глубине происходит с водой. Правда, здесь нам могут принести определенную пользу алмазы.

«Мы не знаем, откуда берут свое начало строительные кирпичики жизни, попали ли они из космического пространства или изнутри Земли, – рассказал корреспонденту Popular Science Сверженский. – Алмазы помогают нам в такого рода исследованиях, потому что у них есть частицы, дающие нам определенные подсказки о том, что происходит в земных глубинах». Эти драгоценные камни обеспечивают ученых информацией о характере движения углеродосодержащих жидкостей, которое делает Землю «пригодной для жизни. Поэтому мы вполне можем говорить о том, что понять эти процессы исключительно  важно».

Новая модель Сверженского направляет науку в это новое русло. «Предыдущие модели на протяжении  десятилетий достигали предельной точки на глубине около 14,5 километра. Ниже этого предела мы не могли предсказать, как вода будет реагировать с горной породой, – говорит он. – Эта модель позволяет нам делать прогнозы на глубину до 180 километров, и таким образом, мы попадаем в зону, где, согласно нашим оценкам, происходят интенсивные химические реакции. Органические вещества, такие как соль уксусной кислоты и пропионат (которые, как мы уже давно знаем, существуют на небольших глубинах), а также метан и двуокись углерода могут находиться в состоянии равновесия при высоком давлении. Это помогает нам понять, каким образом углерод может находиться в воде на таких больших глубинах. Это также свидетельствует о том, что химическая основа жизни находится гораздо глубже, чем мы думали». У этой идеи далеко идущие последствия. Если мы сможем понять, как началась жизнь на Земле, или какой она была на ранних этапах своего развития, мы также больше узнаем о тех факторах, благодаря которым планеты становятся обитаемыми.