Dünyanın tarihinin gizemli bir romanı olup olmadığını ve en büyük çözülmemiş bulmacalarından biri olup olmadığını düşünün: Tüm azot nereye gitti? Bilim adamları uzun zamandır gezegenimizin kayalık dış katmanlarının – manto – karbon veya su gibi diğer uçucu elementlere kıyasla azotta garip bir şekilde zayıf olduğunu biliyorlar. Çok garip bir şekilde, c/n ve 36Dökme silikat dünyasındaki AR/N oranları (BSE, tüm toprak eksi metalik çekirdek), bu malzemeleri gezegenin bebeklik döneminde sağlayan meteoritlerde bulunanlardan çok daha yüksektir.
Onlarca yıldır, bu “eksik azot” problemi araştırmacıları şaşırttı. Yayınlanan yeni bir çalışma Dünya ve Gezegensel Bilim Mektupları Sonunda cevabı alabilir: gezegenimizin içinde dramatik bir kozmik saklambaç oyunu.
Bu gizemi anlamak için 4.6 milyar yılı geri sarmalıyız. Dünya ateşli, erimiş bir top idi, çalkalanan bir magma okyanusu 1.000 kilometreden fazla. Bu dönemde, demir gibi ağır metaller çekirdeği oluşturmak için battı, daha hafif mineral bileşenleri yükseldi ve daha sonra silikat mantosunu oluşturmak için katılaştı.
Çekirdek-gizle farklılaşma olarak adlandırılan bu işlem, dünyanın katmanlı yapısını şekillendirdi. Ancak sadece metaller ve kayalar kendilerini çözmek değildi – azot, karbon ve argon gibi gergin elemanlar çapraz ateşe yakalandı. Bu unsurların sona erdiği – çekirdeğe bağlı, manto içinde çözünmüş veya uzaya kaybedilmiş – dünyanın bugün olduğu gibi göründüğünü ve işlev gördüğünü belirliyor.
Azot özellikle esrarengizdir. Bugün atmosferin% 78’ini oluştururken, Dünya’nın tüm kayalık mantosundaki toplam miktar şok edici derecede düşük – milyonda 1 ila 5 parça. Karbon ve argon, azota göre bu elementleri veren göktaşlarından çok daha boldur.
Bilim adamları birçok hipotez önerdi: belki azot uzaya kaçtı ya da belki de asla büyük miktarlarda teslim edilmedi. Ancak Japonya’daki Ehime Üniversitesi Geodynamics Araştırma Merkezi’nden bir araştırmacı ekibi farklı bir soru sordu: Ya dünyanın çekirdeği azotun çoğunu çaldıysa?
Bu fikri test etmek için, bilim adamları “süper bilgisayarlar” kullanarak Dünya’nın erken magma okyanusunun aşırı koşullarını yeniden yarattılar. Yüzeydeki basınçın (135 GPa) 1,35 milyon katına kadar basınçlarda sıkıldığında azotun nasıl davrandığını ve 5.000 K’ya kadar ısındılar – koşullar genç, erimiş bir gezegende binlerce kilometre derinlikte bulundu.
Temel fizik prensiplerinden atomik etkileşimleri hesaplayan istatistiksel fiziğe dayanan termodinamik entegrasyon yöntemi ile birleştiğinde ab initio moleküler dinamikler adı verilen kuantum mekanik bir yöntem kullanarak, azotun tercihlerini izlediler: demir açısından zengin çekirdekle bağlandı mı yoksa susturucu mantoya mı çözündü?
Sonuçlar çarpıcıydı. Derin bir magma okyanusunun yoğun ısı ve basıncı altında, azot “metal sevgilisi” haline geldi. 60 GPa’da, azotun çekirdeğe katılma olasılığı, katılaşmasından sonra mantoda kalmaktan 100 kat daha fazladır. Basınç arttıkça, bu tercih arttı – ancak düz bir çizgide değil. Bunun yerine, ilişki kavisliydi. Bu doğrusal olmayan etki daha önce hiç açıkça gösterilmemiştir ve daha önceki deneylerin neden çelişkili sonuçlar ürettiğini açıklamaya yardımcı olmuştur.
Ama azot neden bu şekilde davranıyor? Simülasyonlar mikroskobik bir mekanizma ortaya çıkardı. Magma okyanusunun erimiş silikatta, başlangıçta kendileriyle bağlanmış azot atomları veya amonyum iyonları gibi hidrojen atomları (NH4+). Ancak artan baskılar altında ayrıldılar. Silikon atomları ile bağlanmış azot, nitrür iyonları (N³⁻) olarak silikat ağına entegre.
Bu arada, metalik çekirdekte, azot demir atomları arasındaki boşluklara kaydı ve daha nötr bir atom gibi davrandı. Bu davranış, daha fazla azotun çekirdeğin kucaklanması için erimiş silikattan vazgeçmesine neden oldu.
Çalışma azotta durmadı. Önceki çalışmalarla birlikte, Huang ve Tsuchiya, biraz siderofil (metal seven) karbonun derin magma okyanus koşullarında azottan daha az olduğunu buldular. Argon, inert bir unsur, metalleri hiç umursamadı. Bu hiyerarşi – Notrojen> Karbon> Çekirdek tercihindeki argon – iki gizemi çözebilir.
Bunu ölçmek için araştırmacılar, 4.6 milyar yıl önce Dünya’nın birikimi modelini inşa ettiler. Dünyanın karbonlu kondritlerden, erken güneş sistemine benzer kompozisyonlara sahip göktaşlarından gelen uçucular kazandığını varsayalım. Bu kayalardan Dünya kütlesinin sadece% 5-10’u sağlamak yeterli azot, karbon ve argon sağlayacaktır.
Çekirdek oluşumu derin bir magma okyanusunda (örn. 60 GPa) gerçekleşirse, azotun% 80’inden fazlası çekirdeğe batırır ve manto 1-7 ppm ile eşleşen gözlemlerle bırakılır. Ayrılmaya daha az istekli olan karbon, gözlemlenen yüksek C/N oranını yaratarak mantoda kalacaktı. Hem çekirdek hem de manto tarafından reddedilen argon, atmosferde orantısız bir şekilde yoğunlaşacak ve yüksek olanı açıklayacak 36BSE’nin AR/N’si.
Bu keşif, Dünya’nın değişken kökenleri hakkındaki anlayışımızı yeniden şekillendiriyor. Bilim adamları yıllarca Dünya’nın tuhaf oranlarının olağandışı göktaşları veya azot kaybeddiği anlamına gelip gelmediğini tartıştılar. Bu çalışma daha basit bir hikaye için savunuyor: Dünya’nın uçucuları karbonlu kondritlerden geldi, ancak kaderleri çekirdek oluşumun aşırı fiziği tarafından mühürlendi.
Farklılaşma derinliği en önemliydi – Shallow magma okyanuslar gözlemlenen oranları üretemedi, ancak derin olanlar Dünya’nın değişken parmak izini mükemmel bir şekilde çoğalttı. Bu ayrıca, BSE’nin kondritlere kıyasla farklı uçucu oranlarının farklı kaynaklardan ziyade farklı toplanma sürelerini yansıtabileceği argümanına bağlanır.
Bu çekirdek oluşum süreci, BSE’de ne kadar azot tutulduğunu belirlemiştir, bu da yeryüzünün atmosferindeki ve kayalık katmanlardaki biyoessential elementlerin bolluğu için önkoşullardan biri. Dünyanın yaşanabilir hale gelmesi uzun zaman almasına rağmen, yaşam için gerekli koşullar, çekirdek ve manto ayrıldığı milyarlarca yıl önce ayarlanmış olabilir.
Sonunda, Dünya’nın azotu kaybolmadı. Milyarlarca yıldır çekirdeğe kilitlenmiş, açık bir şekilde saklanıyor. Bu keşif bize gezegenimizin tarihinin sadece kayalar ve fosillerde değil, hayal edilemez baskılar altında atomların şifreli tercihlerinde yazıldığını hatırlatıyor.
