Науковці виявили, що розплавлені гірські породи за надзвичайно високого тиску можуть утримувати значно більше кисню, ніж передбачали традиційні хімічні моделі. Це відкриття може допомогти пояснити, як процеси в глибинах Землі впливали на склад її атмосфери мільярди років тому. Водночас можлива роль магми в давньому насиченні атмосфери киснем поки що залишається гіпотезою.
Дослідження провели фахівці Центру досліджень науки й технологій високого тиску (HPSTAR) спільно з науковцями з Північно-Західного політехнічного університету та Вільного університету Амстердама. Результати опублікували в журналі National Science Review.
Як магма може накопичувати додатковий кисень
Кисень — один із найпоширеніших елементів у силікатних породах, які формують значну частину земної мантії та кори. Однак традиційно вважалося, що його вміст у магмі визначається насамперед хімічним складом інших елементів, зокрема кремнію, магнію та заліза.
На відміну від води й вуглекислого газу, які можуть розчинятися в магмі та виділятися під час зниження тиску, кисень зазвичай не розглядали як окремий компонент, здатний накопичуватися в розплаві понад звичайні хімічні пропорції.
Щоб перевірити це припущення, дослідники відтворили лабораторні умови, характерні для глибинних надр. Вони нагрівали синтетичний аналог базальту — вулканічної породи, поширеної в районах розходження океанічних тектонічних плит, — за температури від 1200 до 1800 °C і тиску до 7 гігапаскалів. Це приблизно у 69 тисяч разів більше за атмосферний тиск на поверхні Землі. Для створення середовища з високим вмістом кисню до зразків додавали оксид платини.
За високого тиску вміст надлишкового кисню зріс
Після експериментів науковці швидко охолоджували розплави, перетворюючи їх на склоподібний матеріал, який зберігав важливі характеристики магми. Потім вони визначали його хімічний склад і розраховували кількість кисню, яка не пояснювалася звичайними хімічними пропорціями та вмістом води й вуглекислого газу. Цей компонент дослідники назвали «надлишковим киснем».
За нормального атмосферного тиску його було майже непомітно. Натомість за тиску 7 гігапаскалів частка надлишкового кисню перевищувала 5% маси зразка. У контрольних експериментах за подібних умов, але без додавання оксиду платини, показники становили лише 0,2–0,5%.
Спектроскопічний аналіз не виявив ознак того, що додатковий кисень просто накопичувався в склі у вигляді мікроскопічних газових бульбашок. Це вказує на те, що він був включений у структуру матеріалу. Водночас частина кисню могла втратитися під час охолодження, тому фактична здатність розплаву утримувати його могла бути ще більшою.
Комп’ютерне моделювання підтвердило загальну закономірність: зі збільшенням тиску магма може поглинати більше надлишкового кисню. Розрахунки також показали, що за його високої концентрації змінюється хімічна поведінка атомів кисню, зокрема можуть утворюватися зв’язки між двома атомами кисню.
Чи могли стародавні вулкани вплинути на атмосферу
Результати дослідження порушують питання про можливий зв’язок між глибинними процесами та історією земної атмосфери. За гіпотезою авторів, магма, яка піднімається з глибин мантії, може втрачати частину надлишкового кисню в міру зниження тиску. Цей кисень здатний брати участь у хімічних реакціях у верхній мантії, земній корі та, потенційно, впливати на атмосферу.
Особливий інтерес становить період приблизно 2,5–2 мільярди років тому, коли вміст кисню в атмосфері Землі істотно зріс. Цей час частково збігається з формуванням великих магматичних провінцій — величезних територій, утворених унаслідок масштабних виливів лави.
Дослідники підрахували, що якби магма під час таких вивержень вивільняла надлишковий кисень у кількості лише 0,27% своєї маси, його сумарний обсяг теоретично міг би дорівнювати кількості кисню, яка нині міститься в атмосфері Землі.
Однак це лише оцінка потенційного масштабу процесу, а не доказ того, що вулкани справді забезпечили атмосферу такою кількістю кисню. Поки що науковцям необхідно з’ясувати, скільки надлишкового кисню міститься в природній магмі та яка його частина може досягати поверхні.
Якщо подальші дослідження підтвердять цю можливість, відкриття допоможе уточнити моделі еволюції Землі та інших кам’янистих планет. Воно також може вплинути на розуміння того, як внутрішні процеси планет взаємодіють з атмосферою і створюють умови для тривалого існування придатного для життя середовища.