Oamenii de știință au descoperit că magma din adâncurile Pământului poate stoca cantități surprinzător de mari de oxigen suplimentar, ceea ce ar putea scoate la iveală un factor necunoscut care a contribuit la formarea atmosferei bogate în oxigen a planetei noastre. Rezultatele sugerează că erupțiile vulcanice din vechime ar fi putut ajuta la transformarea atmosferei Pământului cu miliarde de ani în urmă, cu implicații pentru înțelegerea vieții pe alte planete, scrie Science Daily.
Cercetătorii au descoperit că roca topită din adâncurile Pământului poate stoca mult mai mult oxigen decât se credea până acum. Descoperirea contrazice niște presupuneri vechi despre magmă și ridică o posibilitate fascinantă: oxigenul eliberat din interiorul Pământului ar fi putut contribui la transformarea atmosferei planetei acum miliarde de ani.
Prin experimente la presiuni ridicate și simulări computerizate avansate, cercetătorii au constatat că magma poate absorbi oxigen în plus față de cantitatea impusă în mod normal de compoziția ei chimică.
Acest oxigen ascuns ar putea reprezenta o legătură necunoscută până acum între interiorul adânc al Pământului, activitatea vulcanică și apariția unei atmosfere bogate în oxigen.
Cercetarea a fost condusă de Yanhao Lin și Ho-kwang Mao, de la Centrul pentru Cercetare Avansată în Știința și Tehnologia Presiunilor Înalte (HPSTAR), în colaborare cu profesorul Haiyang Niu, de la Universitatea Politehnică de Nord-Vest, și cu profesorul Wim van Westrenen, de la Vrije Universiteit Amsterdam. Rezultatele au fost publicate în revista National Science Review.
O presupunere veche despre magmă, pusă sub semnul întrebării
Oxigenul este unul dintre cele mai abundente elemente din interiorul Pământului, reprezentând mai mult de jumătate dintre atomii din interiorul silicatic al planetei.
Silicații sunt minerale și materiale topite formate în principal din siliciu și oxigen, alături de alte elemente, și alcătuiesc o mare parte din mantaua și scoarța Pământului.
În ciuda abundenței oxigenului, oamenii de știință au presupus în mod tradițional că magma poate conține doar o anumită cantitate din acest element.
Potrivit acestei înțelegeri, conținutul de oxigen este determinat de cantitățile și de stările de sarcină electrică ale celorlalte elemente din roca topită, printre care siliciul, magneziul și fierul.
Apa și dioxidul de carbon se comportă diferit. Ambele se pot dizolva în magmă și pot ieși ulterior sub formă de gaze atunci când presiunea din jur scade. Aceste substanțe sunt cunoscute drept componente volatile, iar eliberarea lor joacă un rol important în activitatea vulcanică.
Oxigenul, în schimb, nu a fost tratat în general ca o substanță volatilă separată, pe care magma o poate absorbi și elibera. Întrebarea dacă roca silicatică topită ar putea reține oxigen suplimentar, independent de compoziția ei chimică obișnuită, a rămas în mare parte neexplorată.
Noua cercetare sugerează că această presupunere ar putea trebui schimbată.
Presiunile extreme scot la iveală oxigenul ascuns din roca topită
Pentru a investiga, oamenii de știință au recreat condițiile din adâncurile Pământului folosind echipamente de laborator capabile să genereze presiuni și temperaturi extraordinare.
Ei au încălzit o versiune sintetică de bazalt de dorsală oceanică, un tip de rocă vulcanică ce se formează frecvent acolo unde plăcile tectonice se depărtează sub oceane.
Probele au fost supuse unor presiuni cuprinse între presiunea atmosferică normală și 7 gigapascali și unor temperaturi între 1.200 și 1.800 de grade Celsius.
O presiune de 7 gigapascali este de aproximativ 69.000 de ori mai mare decât presiunea atmosferică de la suprafața Pământului.
Echipa a folosit prese speciale, de tip piston-cilindru și cubice, pentru a menține aceste condiții extreme. Cercetătorii au adăugat și oxid de platină (PtO2), pentru a crea un mediu bogat în oxigen și a testa cât oxigen suplimentar poate absorbi roca topită.
După experimente, cercetătorii au răcit rapid materialul topit, obținând o sticlă care păstra caracteristicile importante ale topiturii. Apoi i-au analizat compoziția elementară și au măsurat cantitățile de apă și dioxid de carbon prezente.
Calculând cât oxigen era necesar pentru a echilibra celelalte elemente, adăugând și oxigenul deja conținut în apă și în dioxidul de carbon, oamenii de știință au putut estima cât oxigen rămânea neexplicat.
Au numit această cantitate suplimentară „oxigen în exces”.
Rezultatele au scos la iveală o legătură izbitoare între presiune și capacitatea de stocare a oxigenului.
La presiunea atmosferică normală, sticla nu conținea aproape deloc oxigen în exces. La 7 gigapascali însă, oxigenul în exces reprezenta peste 5% din greutatea probei.
Prin comparație, experimentele desfășurate la presiuni și temperaturi similare, dar fără adăugarea oxidului de platină, au produs concentrații de oxigen în exces de doar 0,2–0,5% din greutate.
Cercetătorii au vrut să afle și dacă oxigenul suplimentar fusese cu adevărat încorporat în material sau doar prins sub forma unor bule minuscule de gaz.
Folosind spectroscopia Raman, o tehnică ce identifică substanțele analizând modul în care acestea interacționează cu lumina, ei nu au găsit nicio urmă detectabilă de oxigen gazos în sticlă. Asta a indicat că oxigenul în exces devenise parte din structura sticlei, în loc să se acumuleze în bule.
Concentrațiile măsurate ar putea chiar să subestimeze capacitatea reală a magmei de a stoca oxigen. O parte din oxigen ar fi putut scăpa în timpul răcirii probelor topite, ceea ce înseamnă că topiturile inițiale ar fi putut conține cantități și mai mari.
Simulările pe calculator arată cum stochează magma oxigenul suplimentar
Pentru a înțelege mai bine descoperirea la nivel atomic, profesorul Niu a coordonat o serie de simulări teoretice pe calculator.
Cercetătorii au folosit modele bazate pe rețele neuronale profunde pentru a simula interacțiunile dintre atomi cu o precizie apropiată de cea a calculelor ab initio, care descriu comportamentul atomilor pornind de la principiile fundamentale ale mecanicii cuantice.
Simulările au arătat că oxigenul suplimentar se poate dizolva în materialul topit până când sistemul ajunge la echilibru, adică o stare în care oxigenul care intră în topitură și cel care iese din ea se compensează.
Deși modelele computerizate au folosit un sistem simplificat, care conținea doar magneziu, siliciu și oxigen, ele au reprodus același tipar general observat în laborator: capacitatea magmei de a reține oxigen în exces crește odată cu presiunea.
Concentrațiile de oxigen obținute în simulări au fost mai mici decât cele măsurate experimental, diferență pe care oamenii de știință au pus-o pe seama deosebirilor dintre modelul simplificat și compoziția chimică mult mai complexă a bazaltului real.
Calculele au arătat și schimbări în comportamentul atomilor de oxigen pe măsură ce în topitură intra tot mai mult oxigen. Sarcinile lor electrice au devenit mai variate, iar o mică parte dintre ei au format legături de tip peroxid, în care atomii de oxigen se leagă între ei.
Aceste schimbări ajută la explicarea modului în care roca topită poate găzdui mai mult oxigen decât prevăd modelele chimice convenționale.
Important este că acest comportament dependent de presiune seamănă cu cel al apei și al dioxidului de carbon, care devin și ele mai solubile în magmă pe măsură ce presiunea crește.
Pe baza acestor rezultate, cercetătorii propun ca oxigenul să fie recunoscut drept o componentă independentă a topiturilor silicatice, în loc să fie analizat doar în raport cu celelalte elemente.
Au contribuit vulcanii antici la oxigenarea atmosferei Pământului?
Descoperirea ridică o întrebare mult mai amplă despre istoria Pământului: ar fi putut magma să transporte cantități semnificative de oxigen din interiorul planetei spre suprafață?
Cercetătorii sugerează un posibil mecanism, care implică magma formată în regiunile oxidate ale mantalei terestre.
La presiunile uriașe din adâncuri, această magmă ar putea absorbi cantități substanțiale de oxigen în exces. Pe măsură ce urcă, presiunea din jur scade, iar odată cu ea scade și cantitatea de oxigen pe care roca topită o poate reține.
O parte din acest oxigen ar putea fi apoi eliberată, contribuind posibil la reacții chimice care cresc gradul de oxidare al mantalei superioare, al scoarței terestre și, în cele din urmă, al atmosferei.
Oxidarea se referă la procese chimice care implică transferul de electroni. În acest context, oxigenul transportat de magmă ar putea crește capacitatea de oxidare a materialelor din jur și ar putea influența echilibrul oxigenului din atmosferă.
Mecanismul propus ar putea explica și o coincidență intrigantă din trecutul geologic al Pământului.
În urmă cu aproximativ 2,5–2 miliarde de ani, nivelul oxigenului din atmosferă a crescut semnificativ. Această perioadă se suprapune cu formarea unora dintre cele mai mari provincii magmatice ale Pământului, regiuni uriașe de rocă vulcanică create de revărsări excepțional de mari de magmă.
Cercetătorii sugerează că oxigenul eliberat din aceste sisteme vulcanice antice ar fi putut contribui la schimbările din compoziția atmosferei.
Calculul lor preliminar arată amploarea potențial uriașă a procesului. Ei estimează că, dacă magma erupă în acea perioadă ar fi eliberat oxigen în exces echivalent cu doar 0,27% din greutatea ei, cantitatea totală ar putea egala, teoretic, tot oxigenul prezent astăzi în atmosfera Pământului.
Asta nu demonstrează că activitatea vulcanică a furnizat efectiv atât de mult oxigen atmosferei. Calculul ilustrează însă cum chiar și o eliberare relativ mică de oxigen din cantități imense de magmă ar fi putut avea consecințe majore la scară planetară.
Un nou indiciu despre evoluția Pământului și despre planetele locuibile
Rezultatele ar putea influența mai multe domenii importante ale științei planetare.
În primul rând, ele ar putea schimba felul în care oamenii de știință înțeleg oceanele de magmă din vechime, regiuni vaste de rocă topită despre care se crede că au existat în primele etape ale evoluției Pământului și a altor planete stâncoase.
Totodată, introduc un posibil factor nou în degazarea vulcanică, procesul prin care gazele și alte substanțe volatile ies din roca topită și interacționează cu atmosfera unei planete.
Dacă magma poate stoca și elibera oxigen independent de celelalte componente chimice, modelele care descriu evoluția atmosferei Pământului ar putea fi nevoite să țină cont de acest proces trecut cu vederea până acum.
Implicațiile ar putea depăși granițele Pământului. Înțelegerea felului în care oxigenul circulă între interiorul și atmosfera planetelor stâncoase îi poate ajuta pe cercetători să studieze condițiile care permit apariția și menținerea, timp de miliarde de ani, a unor medii potențial locuibile.
Deși sunt necesare cercetări suplimentare pentru a stabili cât oxigen transportă magmele naturale și cât din acesta ajunge în atmosferă, descoperirea indică o posibilitate surprinzătoare: unele dintre procesele care au ajutat la formarea mediului bogat în oxigen al Pământului ar putea avea originea mult sub suprafața planetei.
