|
Куда делся весь азот - игра в космические прятки
|
|
|
|
Представьте, что в истории Земли был бы детективный роман, и одна из его самых больших неразгаданных загадок звучала бы так: куда делся весь азот? Ученым давно известно, что внешние скалистые слои нашей планеты — мантия — на удивление бедны азотом по сравнению с другими летучими элементами, такими как углерод или вода. Очень странно, что соотношения C/N и 36Ar/N в основной массе силикатной Земли (BSE, вся Земля за вычетом металлического ядра) намного выше, чем те, которые были обнаружены в метеоритах, предположительно доставлявших эти ингредиенты во времена зарождения планеты.
|
|
|
|
На протяжении десятилетий проблема "недостающего азота" ставила исследователей в тупик. Новое исследование, опубликованное в журнале Earth and Planetary Science Letters, возможно, наконец-то даст ответ: это драматическая космическая игра в прятки глубоко внутри нашей планеты.
|
|
|
|
Чтобы понять эту тайну, нам нужно отмотать назад 4,6 миллиарда лет. Земля представляла собой огненный, расплавленный шар с бурлящим океаном магмы глубиной более 1000 километров. В этот период тяжелые металлы, такие как железо, опускались, образуя ядро, в то время как более легкие минеральные компоненты поднимались и затем затвердевали, образуя силикатную мантию.
|
|
|
|
Этот процесс, называемый дифференциацией ядра и мантии, сформировал слоистую структуру Земли. Но не только металлы и горные породы выделялись сами по себе — под перекрестный огонь попали такие летучие элементы, как азот, углерод и аргон. То, где оказались эти элементы — в ядре, растворились в мантии или затерялись в космосе, — определяет, почему Земля выглядит и функционирует так, как она выглядит сегодня.
|
|
|
|
|
|
|
Азот особенно загадочен. Хотя сегодня он составляет 78% атмосферы, его общее количество во всей скалистой мантии Земли поразительно мало — всего от 1 до 5 частей на миллион. Углерода и аргона гораздо больше по сравнению с азотом, чем в метеоритах, которые, вероятно, доставили эти элементы.
|
|
|
|
Ученые выдвигали множество гипотез: возможно, азот улетучился в космос, а возможно, его никогда не доставляли в больших количествах. Но группа исследователей из исследовательского центра геодинамики Университета Эхиме в Японии задалась другим вопросом: что, если ядро Земли похитило большую часть азота?
|
|
|
|
Чтобы проверить эту идею, ученые воссоздали экстремальные условия раннего магматического океана Земли с помощью "суперкомпьютеров". Они смоделировали, как ведет себя азот, когда он сжимается при давлении, в 1,35 миллиона раз превышающем давление на поверхности (135 ГПа), и нагревается до 5000 К — условия, существующие на глубине тысяч километров на молодой расплавленной планете.
|
|
|
|
Используя квантово-механический метод, называемый молекулярной динамикой ab initio, в сочетании с методом термодинамической интеграции, основанным на статистической физике, который рассчитывает атомные взаимодействия на основе фундаментальных физических принципов, они проследили предпочтения азота: связался ли он с богатым железом ядром или растворился в силикатной оболочке?
|
|
|
|
Результаты были поразительными. Под воздействием высокой температуры и давления глубинного океана магмы азот стал "любителем металлов". При давлении 60 ГПа вероятность того, что азот после затвердевания попадет в ядро, более чем в 100 раз выше, чем вероятность того, что он останется в мантии. По мере увеличения давления это предпочтение росло, но не по прямой линии. Вместо этого зависимость была кривой. Этот нелинейный эффект никогда ранее не был четко продемонстрирован и помогает объяснить, почему предыдущие эксперименты давали противоречивые результаты.
|
|
|
|
Но почему азот ведет себя таким образом? Моделирование выявило микроскопический механизм. В расплавленном силикате океана магмы атомы азота первоначально соединялись сами с собой или с атомами водорода, такими как ионы аммония (NH4+). Но при увеличении давления они распадались. Вместо этого азот связывается с атомами кремния, интегрируясь в силикатную структуру в виде нитрид-ионов (N3-).
|
|
|
|
Между тем, в металлическом ядре азот проникает в промежутки между атомами железа, ведя себя скорее как нейтральный атом. Такое поведение привело к тому, что больше азота вышло из расплавленного силиката и попало в сердцевину.
|
|
|
|
Исследование не остановилось на азоте. Сопоставляя результаты предыдущих исследований, Хуан и Цутия обнаружили, что углерод, хотя и является сидерофилом (любителем металлов), в условиях глубокого магматического океана содержит меньше азота. Аргон, инертный элемент, вообще не интересовался металлами. Такая иерархия — азот > углерод > аргон в основном предпочтении — может раскрыть две загадки.
|
|
|
|
Чтобы оценить это количественно, исследователи построили модель аккреции Земли 4,6 миллиарда лет назад. Предположим, что Земля получила летучие вещества из углеродистых хондритов, метеоритов, состав которых был схож с составом ранней Солнечной системы. Получение всего 5-10% массы Земли из этих пород обеспечило бы достаточное количество азота, углерода и аргона.
|
|
|
|
Если бы образование ядра происходило в глубоком магматическом океане (например, давление 60 ГПа), более 80% азота осело бы в ядро, оставив в мантии данные, соответствующие 1-7 промилле. Углерод, который с меньшей охотой покидает атмосферу, остался бы в мантии, создавая наблюдаемое высокое соотношение C/N. Аргон, отторгаемый как ядром, так и мантией, был бы непропорционально сконцентрирован в атмосфере, что объясняет высокое содержание 36Ar/N в BSE.
|
|
|
|
Это открытие меняет наше представление о происхождении летучих элементов на Земле. В течение многих лет ученые спорили о том, означают ли странные соотношения на Земле образование необычных метеоритов или потерю азота в космосе. Это исследование подтверждает более простую версию: летучие вещества Земли произошли из углеродистых хондритов, но их судьба была предопределена экстремальными физическими особенностями формирования ядра.
|
|
|
|
Глубина дифференциации имела наибольшее значение — мелкие магматические океаны не могли обеспечить наблюдаемое соотношение, но глубокие океаны идеально воспроизводят летучий отпечаток Земли. Это еще раз подтверждает аргумент о том, что различные соотношения летучих веществ в BSE по сравнению с хондритами могут отражать разное время аккреции, а не разные источники.
|
|
|
|
Этот процесс формирования ядра определил, сколько азота задержалось в BSE, что является одной из предпосылок обилия биоэлементов в атмосфере Земли и скалистых слоях. Несмотря на то, что Земле потребовалось много времени, чтобы стать пригодной для жизни, условия, необходимые для жизни, возможно, были созданы миллиарды лет назад, когда ядро и мантия разделились.
|
|
|
|
В конце концов, азот на Земле не был утрачен. Он скрывался на виду, запертый в ядре на протяжении миллиардов лет. Это открытие напоминает нам о том, что история нашей планеты записана не только в горных породах и окаменелостях, но и в загадочных предпочтениях атомов, находящихся под невообразимым давлением.
|
|
|
|
Источник
|
