Κρυφή δεξαμενή οξυγόνου στο εσωτερικό της Γης: το μάγμα αποθηκεύει πολύ περισσότερο απ’ όσο πιστεύαμε

Το λιωμένο πέτρωμα βαθιά στη Γη μπορεί να αποθηκεύει πολύ περισσότερο οξυγόνο απ’ όσο θεωρούνταν μέχρι σήμερα. Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο National Science Review από ομάδα των Dr. Yanhao Lin και Dr. Ho-kwang Mao (HPSTAR), σε συνεργασία με τους Prof. Haiyang Niu (Northwestern Polytechnical University) και Prof. Wim van Westrenen (Vrije Universiteit Amsterdam), με υλικό που παρείχε το Science China Press.

Με εργαστηριακά πειράματα σε ακραίες πιέσεις και υπολογιστικές προσομοιώσεις, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το μάγμα μπορεί να «απορροφά» επιπλέον οξυγόνο πέρα από αυτό που επιβάλλει η χημική του σύσταση. Η δυνατότητα αυτή συνδέει, όπως εκτιμούν, το βαθύ εσωτερικό της Γης με την ηφαιστειακή δραστηριότητα και ίσως με τη διαμόρφωση μιας ατμόσφαιρας πλούσιας σε οξυγόνο.

Παρότι το οξυγόνο είναι το πιο άφθονο στοιχείο στο πυριτικό εσωτερικό της Γης, το μάγμα θεωρούνταν ότι περιέχει μόνο συγκεκριμένη ποσότητα, καθορισμένη από τα υπόλοιπα στοιχεία και τις οξειδοαναγωγικές τους καταστάσεις. Νερό και διοξείδιο του άνθρακα αντιμετωπίζονται ως πτητικά που διαλύονται και εκλύονται με την πτώση της πίεσης· το οξυγόνο, όμως, δεν θεωρούνταν ανεξάρτητο πτητικό. Η νέα μελέτη προτείνει αλλαγή σε αυτή την παραδοχή.

Η ομάδα αναπαρήγαγε συνθήκες μεγάλου βάθους θερμαίνοντας συνθετικό βασάλτη μεσοωκεάνιων ράχεων σε πιέσεις από ατμοσφαιρική έως 7 γιγαπασκάλ και θερμοκρασίες 1.200–1.800 °C. Για σύγκριση, τα 7 GPa αντιστοιχούν περίπου σε 69.000 φορές την ατμοσφαιρική πίεση. Σε οξυγονωμένο περιβάλλον με προσθήκη οξειδίου του πλατίνας (PtO2), το λιωμένο υλικό απέκτησε «πλεονάζον οξυγόνο» —οξυγόνο δηλαδή πέρα από αυτό που απαιτείται για την ισοστάθμιση των άλλων στοιχείων και εκείνο που εμπεριέχεται σε νερό και CO2.

Τα δείγματα ψύχθηκαν ταχύτατα σε υάλινη μορφή για να «παγώσουν» τα χαρακτηριστικά του τήγματος. Σε ατμοσφαιρική πίεση, το πλεονάζον οξυγόνο ήταν πρακτικά μηδενικό, ενώ στα 7 GPa ξεπέρασε το 5% κατά βάρος. Σε αντίστοιχες πιέσεις και θερμοκρασίες χωρίς PtO2, οι συγκεντρώσεις κυμάνθηκαν στο 0,2%–0,5% κατά βάρος. Φασματοσκοπία Raman δεν ανίχνευσε υπογραφή μοριακού οξυγόνου στο γυαλί, ένδειξη ότι το επιπλέον οξυγόνο ενσωματώθηκε στη δομή και δεν παγιδεύτηκε σε φυσαλίδες. Οι ερευνητές σημειώνουν ότι οι μετρήσεις ίσως υποεκτιμούν τη χωρητικότητα, καθώς ορισμένο οξυγόνο θα μπορούσε να έχει διαφύγει κατά την ψύξη.

Για να κατανοήσουν τον μηχανισμό σε ατομικό επίπεδο, πραγματοποίησαν προσομοιώσεις με βαθιά νευρωνικά δίκτυα (DNN) ακρίβειας συγκρίσιμης με υπολογισμούς πρώτων αρχών. Σε απλοποιημένο σύστημα μαγνησίου–πυριτίου–οξυγόνου, οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι το επιπλέον οξυγόνο διαλύεται μέχρι να επιτευχθεί ισορροπία, με τη διαλυτότητα να αυξάνει με την πίεση —όπως παρατηρήθηκε και στο εργαστήριο. Οι υπολογισμοί κατέγραψαν χαμηλότερες συγκεντρώσεις από τα πειράματα, κάτι που αποδίδεται στη διαφορετική, απλούστερη χημική σύσταση. Καταγράφηκαν επίσης πιο ποικίλες κατανομές φορτίου και σχηματισμοί δεσμών τύπου υπεροξειδίου, που βοηθούν να εξηγηθεί πώς το τήγμα «χωρά» επιπλέον οξυγόνο.

Η πίεση φαίνεται να επηρεάζει το οξυγόνο παρόμοια με το νερό και το CO2, που επίσης γίνονται πιο διαλυτά με την αύξησή της. Με βάση αυτά, οι ερευνητές προτείνουν το οξυγόνο να αντιμετωπίζεται ως ανεξάρτητο συστατικό των πυριτικών τηγμάτων.

Το εύρημα ανοίγει ερώτημα για την ιστορία της Γης: θα μπορούσε το μάγμα να μετέφερε σημαντικές ποσότητες οξυγόνου από το εσωτερικό προς την επιφάνεια; Σύμφωνα με το προτεινόμενο σενάριο, μάγματα που σχηματίζονται σε οξειδωμένες ζώνες του μανδύα απορροφούν πολύ οξυγόνο σε μεγάλες πιέσεις και, ανερχόμενα, το απελευθερώνουν καθώς η πίεση πέφτει. Έτσι, ίσως συνέβαλαν σε αυξημένη οξείδωση του άνω μανδύα, του φλοιού και, τελικά, της ατμόσφαιρας.

Η υπόθεση αυτή συνδέεται χρονικά με τις μεγάλες αυξήσεις του ατμοσφαιρικού οξυγόνου μεταξύ 2,5 και 2,0 δισ. ετών πριν, περίοδο που συμπίπτει με τον σχηματισμό εκτεταμένων μεγάλων ηφαιστειακών επαρχιών (LIPs). Η ομάδα εκτιμά ότι, αν τα μάγματα εκείνης της περιόδου απελευθέρωσαν πλεονάζον οξυγόνο ίσο με μόλις 0,27% του βάρους τους, το συνολικό ποσό θα μπορούσε θεωρητικά να αντιστοιχεί σε όλο το οξυγόνο της σημερινής ατμόσφαιρας. Πρόκειται για ένδειξη κλίμακας και όχι για επιβεβαίωση ότι συνέβη κάτι τέτοιο.

Οι συνέπειες αγγίζουν την κατανόηση των αρχέγονων «ωκεανών μάγματος», τη διεργασία απαέρωσης των ηφαιστείων και τα μοντέλα εξέλιξης της ατμόσφαιρας. Ενδεχομένως επεκτείνονται και σε άλλους βραχώδεις πλανήτες, όπου η ανταλλαγή οξυγόνου μεταξύ εσωτερικού και ατμόσφαιρας μπορεί να επηρεάζει τη διαμόρφωση βιώσιμων περιβαλλόντων σε γεωλογικούς χρόνους.