Учените разкриха мистерията на азота, който е на 4,6 милиарда години
Как диференциацията на ядрото и мантията повлия на разпределението на летливите детайли на Земята? Представете си историята на Земята като тайнствен разказ, един от чиито най-големи въпроси без отговор е: къде отиде целият азот? Учените от дълго време са забелязали, че скалистият външен пласт на Земята, мантията, съдържа доста по-малко азот от предстоящото спрямо други летливи детайли като въглерод и вода. Още по-озадачаващо е, че съотношенията на въглерод към азот (C/N) и аргон към азот (³⁶Ar/N) в силикатната маса на Земята (BSE), която включва цялата Земя като се изключи нейното железно ядро, са доста по-високи, в сравнение с в метеоритите, за които се счита, че са доставили тези детайли по време на образуването на Земята.
От десетилетия този проблем с „ изчезналия азот “ озадачава откривателите. Сега ново изследване, оповестено в Earth and Planetary Science Letters, може да даде отговор: азотът не е липсващ, той е потопен надълбоко в планетата в галактическа игра на гоненица.
За да разрешат тази тайнственост, учените върнаха часовника с 4,6 милиарда години обратно до времето, когато Земята е била разтопена огнена топка, покрита с океан от магма с дълбочина повече от хиляда километра. През тази епоха тежките детайли като желязото потъват в центъра, образувайки ядрото, до момента в който по-леките материали се издигат и втвърдяват в силикатната тога.
Този развой, прочут като диференциация на ядрото и мантията, основава слоестата конструкция на планетата. Но историята не е единствено за метали и минерали —- летливи детайли като азот, въглерод и аргон също са били в придвижване. Къде се озовават тези детайли — в ядрото, разтворени в мантията или изгубени в космоса — те помогат за оформянето на актуалната конструкция и химичен състав на Земята.
Парадоксът на азота в мантията на Земята
Азотът е изключително мистериозен. Въпреки че съставлява 78% от атмосферата през днешния ден, общото количество в цялата скалиста тога на Земята е изумително малко — единствено 1 до 5 елементи на милион. В метеоритите, които евентуално са доставили тези детайли, има доста повече въглерод и аргон, в сравнение с азот. Учените са изложили доста хипотези: може би азотът е летял в космоса или може би в никакъв случай не е бил доставен в огромни количества. Но група откриватели от Изследователския център по геодинамика към университета Ехиме в Япония зададоха друг въпрос: какво ще стане, в случай че ядрото на Земята е откраднало множеството от азота?
За да тестват тази концепция, учените пресъздават рисковите условия на ранния магмен океан на Земята, употребявайки „ суперкомпютри “. Те симулират по какъв начин се държи азотът при налягане — 1,35 милиона пъти по-голямо от налягането на повърхността (135 GPa) и нагрято до 5000 K — условия, открити на хиляди километри дълбочина на младата, разтопена планета.
Използвайки квантово-механичен способ, наименуван ab initio, който е молекулярна динамичност, смесен с способ на термодинамична интеграция, основан на статистическа физика, който пресмята взаимоотношенията на атомите въз основа на фундаменталните правила на физиката, те наблюдават желанията на азота: свързва ли се с богатото на желязо ядро или се разтваря в силикатната тога?
При интензивни условия азотът се прикрепя към ядрото
Резултатите са били впечатляващи. Под мощната топлота и напън на дълбокия океан от магма, азотът се трансформира в „ фен на металите “. При 60 GPa азотът откакто се втвърди е повече от 100 пъти по-вероятно да се прикрепи към ядрото, в сравнение с да остане в мантията. С повишение на налягането това преимущество се усилва, само че не по линеен метод. Вместо това връзката се утежнява. Този нелинеен резултат в никакъв случай не е бил ясно показван преди и оказва помощ да се изясни за какво предходните опити са довели до спорни резултати.
Но за какво азотът се държи по този метод? Моделирането разкрива миниатюрен механизъм. В разтопения силикат на океана от магма азотните атоми в началото се свързват един с различен или водородните атоми като амониеви йони (NH4 + ). Но под възходящия напън те се разпадат. Вместо това, азотът се свързва със силициевите атоми, интегрирайки се в силикатната мрежа под формата на нитридни йони (N³⁻). Междувременно в металното ядро азотът се плъзва в пространствата сред стоманените атоми, като се държи по-скоро като безпристрастен атом. Това държание принуждава повече азот да напусне разтопения силикат, с цел да обгърне ядрото.
Изследванията не стопират до азота. След като проучват предходни изследвания, Хуанг и Цучия откриват, че въглеродът, въпреки и ненапълно сидерофилен (обичащ метал), е по-малко несметен от азота в изискванията на бездънен магмен океан. Аргонът, който е неподвижен детайл, въобще не се интересува от металите. Тази подчиненост — азот > въглерод > аргон в желанията на ядрото — би могла да позволи две мистерии.
Моделиране на ранния ресурс от летливи субстанции на Земята
За да дефинират това количество, откривателите построяват модел на акрецията на Земята преди 4,6 милиарда години. Да предположим, че Земята е получила летливи субстанции от въглеродни хондрити — астероиди със състав, сходен на този на ранната Слънчева система. При доставката единствено на 5–10% от масата на Земята от тези скали се получава задоволително азот, въглерод и аргон. Ако образуването на ядрото се случи в бездънен магмен океан (напр. 60 GPa), над 80% от азота ще потъне в ядрото, оставяйки 1–7 елементи на милион в мантията, в сходство с наблюденията. Въглеродът, който е по-малко податлив да напусне, ще остане в мантията, създавайки следеното високо съответствие C/N. Аргонът, отритнат както от ядрото, по този начин и от мантията, би бил непропорционално съсредоточен в атмосферата, обяснявайки високия 36 Ar/N BSE.
Това изобретение трансформира нашето схващане за нестабилния генезис на Земята. От години учените спорят дали странните съотношения на Земята значат, че тя натрупва необикновени астероиди или губи азот в космоса. Това проучване се аргументира за по-проста история: летливите субстанции на Земята са се образували от въглеродни хондрити, само че ориста им е решена от рисковата физика на образуването на ядрото. Дълбочината на диференциация има най-голямо значение — плитките магмени океани не могат да произведат следените съотношения, само че дълбоките възпроизвеждат идеално летливия пръстов отпечатък на Земята. Това също е обвързвано с аргумента, че другите коефициенти на колебливост на BSE спрямо хондритите може да отразяват разнообразни времена на струпване, а не разнообразни източници.
Условия за живот, открити от отделянето на ядрото и мантията
Този развой на формиране на ядрото определя какъв брой азот се съхранява в BSE, което е една от предпоставките за огромния брой биологично значими детайли в земната атмосфера и скалистите пластове. Въпреки че на Земята ѝ лишава доста време, с цел да стане обитаема, изискванията, нужни за живот, може да са били основани преди милиарди години, когато ядрото и мантията са се разделили.
В последна сметка земният азот не е изгубен. Крие се на видно място, заключено в ядрото в продължение на милиарди години. Това изобретение ни припомня, че историята на нашата планета е написана освен в скали и вкаменелости, само че и в мистериозните желания на атомите под необикновен напън.
