Εντοπίστηκε άγνωστη πηγή οξυγόνου στα έγκατα της Γης

Οι αρχαίες ηφαιστειακές εκρήξεις ενδέχεται να συνέβαλαν στη διαμόρφωση του αέρα που αναπνέουμε σήμερα καθώς εργαστηριακά πειράματα αποκάλυψαν την απρόσμενη ικανότητα του μάγματος να αποθηκεύει επιπλέον οξυγόνο.

Το λιωμένο πέτρωμα βαθιά στο εσωτερικό της Γης μπορεί να απορροφά επιπλέον ποσότητες οξυγόνου υπό πίεση, σύμφωνα με νέα μελέτη. Το εύρημα αυτό δημιουργεί το ενδεχόμενο το ανερχόμενο μάγμα να απελευθερώνει οξυγόνο καθώς πλησιάζει στην επιφάνεια, μια διαδικασία που ενδέχεται να συνέβαλε στην αύξηση του ατμοσφαιρικού οξυγόνου πριν από δισεκατομμύρια χρόνια.

Το οξυγόνο αποτελεί περισσότερο από το ήμισυ των ατόμων στο πυριτικό εσωτερικό της Γης. Ωστόσο η αφθονία του δεν σημαίνει απαραίτητα ότι μπορεί να απελευθερωθεί στην ατμόσφαιρα. Μεγάλο μέρος του είναι χημικά δεσμευμένο με άλλα στοιχεία.

Οι γεωεπιστήμονες θεωρούσαν γενικά ότι οι ποσότητες και οι ηλεκτρικές καταστάσεις φορτίου στοιχείων όπως το πυρίτιο, το μαγνήσιο και ο σίδηρος καθορίζουν πόσο οξυγόνο περιέχει το μάγμα. Γνωρίζοντας αυτά τα συστατικά, θα έπρεπε να μπορούν να υπολογίσουν την ποσότητα οξυγόνου που απαιτείται για την εξισορρόπηση της χημείας του.

Το κατά πόσο, όμως, το λιωμένο πέτρωμα μπορεί να απορροφά επιπλέον οξυγόνο ως ξεχωριστό πτητικό συστατικό, όπως συμβαίνει με το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα, παρέμενε σε μεγάλο βαθμό ανεξερεύνητο.

Η μελέτη η οποία δημοσιεύτηκε στην επιθεώρηση «National Science Review» πραγματοποιήθηκε υπό την καθοδήγηση του δρος Γιανχάο Λιν και του δρος Χο-Κουάνγκ Μάο από το Κέντρο Προηγμένης Έρευνας Επιστήμης και Τεχνολογίας Υψηλών Πιέσεων (HPSTAR). Στην έρευνα συμμετείχαν επίσης ο καθηγητής Χαϊγιάνγκ Νίου από το Πολυτεχνικό Πανεπιστήμιο Βορειοδυτικής Κίνας και ο καθηγητής Βιμ φαν Βέστρενεν από το Ελεύθερο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ.

Η πίεση αυξάνει την απορρόφηση οξυγόνου από το μάγμα

Για να ελέγξουν αν το μάγμα μπορούσε να απορροφήσει περισσότερο οξυγόνο από εκείνο που προέβλεπαν οι υπολογισμοί, οι ερευνητές έπρεπε να του προσφέρουν μια πρόσθετη πηγή οξυγόνου. Πρόσθεσαν οξείδιο του λευκόχρυσου (PtO₂), δημιουργώντας ένα περιβάλλον πλούσιο σε οξυγόνο για συνθετικό βασάλτη μεσοωκεάνιων ράχεων ένα εργαστηριακά παρασκευασμένο υλικό που προσομοιώνει το ηφαιστειακό πέτρωμα του ωκεάνιου πυθμένα.

Χρησιμοποιώντας πρέσες τύπου εμβόλου-κυλίνδρου και κυβικές πρέσες, έλιωσαν τον βασάλτη σε θερμοκρασίες από 1,200 έως 1,800 βαθμών Κελσίου (και σε πιέσεις που κυμαίνονταν από 1 ατμόσφαιρα έως 7 γιγαπασκάλ. Στο ανώτατο επίπεδο, η πίεση αυτή αντιστοιχεί περίπου σε 1 εκατομμύριο λίβρες ανά τετραγωνική ίντσα.

Η ομάδα πραγματοποίησε επίσης πειράματα στις ίδιες πιέσεις και θερμοκρασίες, αλλά χωρίς την προσθήκη οξειδίου του λευκόχρυσου. Η σύγκριση των δύο ομάδων πειραμάτων θα βοηθούσε να διαπιστωθεί αν η πρόσθετη διαθεσιμότητα οξυγόνου επηρέαζε την ποσότητα που συγκρατούσε το λιωμένο πέτρωμα.

Αφού ψύχθηκαν γρήγορα τα τήγματα — μια διαδικασία γνωστή ως απότομη ψύξη ή quenching — και μετατράπηκαν σε γυαλί, οι ερευνητές μέτρησαν την ποσότητα οξυγόνου που παρέμενε σε κάθε δείγμα. Δεν μπορούσε, ωστόσο, να θεωρηθεί όλο το οξυγόνο επιπλέον. Ένα μέρος του ήταν απαραίτητο για την εξισορρόπηση των άλλων στοιχείων, ενώ ένα άλλο μέρος περιεχόταν στο νερό και στο διοξείδιο του άνθρακα.

Μετρώντας τη στοιχειακή σύσταση του γυαλιού, καθώς και την περιεκτικότητά του σε νερό και διοξείδιο του άνθρακα, η ομάδα αφαίρεσε από τη συνολική ποσότητα οξυγόνου εκείνες τις ποσότητες που μπορούσαν να υπολογιστούν με βάση τα παραπάνω. Το υπόλοιπο ονομάστηκε «περίσσεια οξυγόνου».

Όταν προστέθηκε οξείδιο του λευκόχρυσου, η περίσσεια οξυγόνου ήταν σχεδόν μηδενική σε πίεση 1 ατμόσφαιρας, αλλά ξεπερνούσε το 5% του βάρους του δείγματος στα 7 γιγαπασκάλ. Στα πειράματα ελέγχου χωρίς οξείδιο του λευκόχρυσου, η περίσσεια οξυγόνου κυμαινόταν μόλις από 0,2% έως 0,5% κατά βάρος.

Επομένως, η υψηλή πίεση φάνηκε να βοηθά το τήγμα να αξιοποιήσει την πρόσθετη παροχή οξυγόνου. Είναι πιθανό να διέφυγε κάποια ποσότητα οξυγόνου κατά την απότομη ψύξη, γεγονός που σημαίνει ότι οι μετρήσεις ενδέχεται να υποεκτιμούν την ποσότητα που περιείχαν αρχικά τα λιωμένα δείγματα.

Το οξυγόνο ενσωματώνεται στη δομή του γυαλιού

Υπήρχε ακόμη ένα ζήτημα που έπρεπε να διευκρινιστεί: είχε ενσωματωθεί το οξυγόνο στο ίδιο το υλικό ή είχε απλώς παγιδευτεί μέσα σε φυσαλίδες αερίου; Η φασματοσκοπία Raman, μια τεχνική που χρησιμοποιεί το σκεδαζόμενο φως για να διερευνήσει τη δομή ενός υλικού, δεν ανίχνευσε χαρακτηριστικό σήμα μοριακού οξυγόνου μέσα στο γυαλί. Αυτό υποδείκνυε ότι η περίσσεια οξυγόνου είχε ενσωματωθεί στη δομή του γυαλιού.

Οι προσομοιώσεις που καθοδήγησε ο Νίου εξέτασαν τον τρόπο με τον οποίο το τήγμα μπορούσε να ενσωματώσει αυτό το επιπλέον οξυγόνο σε ατομικό επίπεδο. Η ομάδα χρησιμοποίησε διατομικά δυναμικά αλληλεπίδρασης βασισμένα σε βαθιά νευρωνικά δίκτυα (DNN), δηλαδή υπολογιστικά μοντέλα που περιγράφουν τον τρόπο αλληλεπίδρασης των ατόμων και επιδιώκουν να προσεγγίσουν την ακρίβεια των υπολογισμών ab initio, οι οποίοι βασίζονται σε θεμελιώδεις φυσικές αρχές. Στις προσομοιώσεις, το οξυγόνο εισχωρούσε στο τήγμα έως ότου επιτευχθεί ισορροπία, δηλαδή έως ότου σταματήσει η καθαρή πρόσληψη επιπλέον οξυγόνου.

Καθώς διαλυόταν περισσότερο οξυγόνο, τα ηλεκτρικά φορτία στα άτομα οξυγόνου κατανέμονταν σε ένα ευρύτερο φάσμα τιμών, ενώ ένα μικρό ποσοστό αυτών των ατόμων σχημάτιζε μεταξύ τους δεσμούς παρόμοιους με εκείνους των υπεροξειδίων. Οι αλλαγές αυτές έδωσαν ενδείξεις για το πώς η χημεία του τήγματος μπορούσε να επιτρέψει την ενσωμάτωση οξυγόνου πέρα από την ποσότητα που προβλέπουν οι συμβατικοί υπολογισμοί.

Οι προσομοιώσεις βασίστηκαν σε ένα απλοποιημένο σύστημα μαγνησίου, πυριτίου και οξυγόνου και έδωσαν χαμηλότερες συγκεντρώσεις οξυγόνου από εκείνες που μετρήθηκαν στα πειράματα με βασάλτη. Ωστόσο, αναπαρήγαγαν την ίδια αύξηση της περιεκτικότητας σε οξυγόνο καθώς αυξανόταν η πίεση. Αυτή η εξάρτηση από την πίεση θυμίζει τη συμπεριφορά του νερού και του διοξειδίου του άνθρακα, τα οποία διαλύονται ευκολότερα στο μάγμα σε υψηλότερες πιέσεις.

Για τον λόγο αυτό, οι συγγραφείς προτείνουν ότι το οξυγόνο θα πρέπει επίσης να αντιμετωπίζεται ως ξεχωριστό συστατικό των πυριτικών τηγμάτων. Μια τέτοια προσέγγιση θα μπορούσε να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο οι ερευνητές μελετούν την εξέλιξη των ωκεανών μάγματος, την απελευθέρωση πτητικών ουσιών και τον σχηματισμό των πλανητικών ατμοσφαιρών, με πιθανές επιπτώσεις στην κατανόηση της μακροχρόνιας κατοικησιμότητας και άλλων βραχωδών πλανητών.

Στο σχετικό διάγραμμα, οι μπλε κουκκίδες δείχνουν την απελευθέρωση περίσσειας οξυγόνου, το οποίο θα μπορούσε να προκαλέσει οξείδωση στον ανώτερο μανδύα, στον φλοιό και στην ατμόσφαιρα. LIP: μεγάλη πυριγενής επαρχία· ULVZ: ζώνη εξαιρετικά χαμηλής σεισμικής ταχύτητας. Πηγή: Science China Press.

Το μάγμα ενδέχεται να συνέβαλε στην παροχή οξυγόνου στην ατμόσφαιρα

Στο εσωτερικό της Γης, το μάγμα που σχηματίζεται σε οξειδωμένες περιοχές του μανδύα θα μπορούσε να συγκεντρώνει σημαντικές ποσότητες περίσσειας οξυγόνου υπό υψηλή πίεση.

Καθώς ανεβαίνει προς την επιφάνεια, η μείωση της πίεσης θα μπορούσε να περιορίζει την ποσότητα οξυγόνου που είναι σε θέση να συγκρατήσει, προκαλώντας τη σταδιακή απελευθέρωσή του. Το οξυγόνο αυτό θα μπορούσε στη συνέχεια να προκαλέσει αντιδράσεις οξείδωσης στον ανώτερο μανδύα, στον φλοιό και στην ατμόσφαιρα, επιτρέποντας στο μάγμα να μεταφέρει οξειδωτική ισχύ από τα βαθιά στρώματα του πλανήτη προς την επιφάνεια.

Οι ερευνητές προτείνουν ότι αυτή η διαδικασία ενδέχεται να βοηθήσει στην εξήγηση μιας χρονικής σύμπτωσης στην ιστορία της Γης. Σημαντικές αυξήσεις του ατμοσφαιρικού οξυγόνου, πριν από περίπου 2,5 έως 2 δισεκατομμύρια χρόνια, συνέπεσαν χρονικά με τον σχηματισμό ορισμένων από τις μεγαλύτερες μεγάλες πυριγενείς επαρχίες (LIPs), τεράστιων συσσωρεύσεων πετρωμάτων που δημιουργήθηκαν από ηφαιστειακή δραστηριότητα.

Σύμφωνα με τον κατά προσέγγιση υπολογισμό των ερευνητών, εάν το μάγμα που εκλύθηκε κατά τη συγκεκριμένη περίοδο απελευθέρωνε μόλις το 0,27% του βάρους του ως περίσσεια οξυγόνου, θα μπορούσε να έχει προσφέρει ποσότητα οξυγόνου ίση με εκείνη που περιέχει σήμερα ολόκληρη η ατμόσφαιρα της Γης.

Naftemporiki.gr