Вчені розгадали таємницю азоту, якій 4,6 мільярда років

Як диференціація ядра та мантії вплинула на розподіл летючих елементів на Землі. Уявіть історію Землі як загадковий роман, одним із найбільших невирішених питань якого є: куди подівся весь азот? Вчені давно помітили, що кам’янистий зовнішній шар Землі, мантія, містить набагато менше азоту, ніж очікувалося, порівняно з іншими летючими елементами, такими як вуглець і вода. Ще більш загадковим є те, що співвідношення вуглецю до азоту (C/N) і аргону до азоту (³⁶Ar/N) в силікатній масі Землі (BSE), яка включає всю Землю, крім її металевого ядра, значно вище, ніж у метеоритах, які, як вважають, доставляли ці елементи під час формування Землі.

Десятиліттями ця проблема «відсутнього азоту» спантеличила дослідників. Тепер нове дослідження, опубліковане в Earth and Planetary Science Letters, може дати відповідь: азот не зник, він занурився глибоко в планету в космічній грі в хованки.

Щоб розкрити цю таємницю, вчені перевели годинник на 4,6 мільярда років назад, до того часу, коли Земля була розплавленою вогняною кулею, вкритою океаном магми глибиною понад тисячу кілометрів. У цю епоху важкі елементи, такі як залізо, опускалися до центру, утворюючи ядро, тоді як легші матеріали піднімалися вгору і тверділи в силікатній мантії.

Цей процес, відомий як диференціація ядра та мантії, створив шарувату структуру планети. Але історія була не лише про метали та мінерали — летючі елементи, такі як азот, вуглець та аргон, також були в русі. Те, де ці елементи опинилися — у ядрі, розчиненому в мантії чи втраченому в космосі — допомогло сформувати нинішню структуру та хімічний склад Землі.

Парадокс азоту в земній мантії

Особливо загадковим є азот. Хоча сьогодні він становить 78% атмосфери, загальна кількість у всій кам’янистій мантії Землі вражаюче мала — лише від 1 до 5 частин на мільйон. Вуглецю й аргону набагато більше, ніж азоту, ніж у метеоритах, які ймовірно доставили ці елементи. Вчені висунули багато гіпотез: можливо, азот вилетів у космос, а можливо, його ніколи не доставляли у великих кількостях. Але група дослідників з Дослідницького центру геодинаміки Університету Ехіме в Японії поставила інше запитання: що, якби ядро ​​Землі вкрало більшу частину азоту?

Щоб перевірити цю ідею, вчені відтворили екстремальні умови раннього магматичного океану Землі за допомогою «суперкомп’ютерів». Вони змоделювали, як азот поводиться при тиску, що в 1,35 мільйона разів перевищує тиск на поверхні (135 ГПа), і нагрітому до 5000 K — умови, які зустрічаються на тисячах кілометрів у глибині молодої розплавленої планети.

Використовуючи квантово-механічний метод, званий молекулярною динамікою ab initio, у поєднанні з методом термодинамічної інтеграції, заснованим на статистичній фізиці, який обчислює взаємодію атомів на основі фундаментальних принципів фізики, вони відстежили переваги азоту: зв’язувався він із багатим на залізо ядром чи розчинявся в силікатній мантії?

За інтенсивних умов азот віддає перевагу ядру

Результати були вражаючими. Під інтенсивним теплом і тиском глибокого океану магми азот став «любителем металу». При 60 ГПа азот мав більше ніж у 100 разів більше шансів приєднатися до ядра, ніж залишитися в мантії після її затвердіння. Зі збільшенням тиску ця перевага зростала, але не прямолінійно. Натомість відносини викривилися. Цей нелінійний ефект ніколи раніше не був чітко показаний і допомагає пояснити, чому попередні експерименти дали суперечливі результати.

Але чому азот поводиться таким чином? Моделювання виявило мікроскопічний механізм. У розплавленому силікаті магматичного океану атоми азоту спочатку зв’язувалися між собою або атоми водню, як іони амонію (NH₄⁺). Але під зростаючим тиском вони розпалися. Натомість азот зв’язується з атомами кремнію, інтегруючись у силікатну мережу у вигляді нітрид-іонів (N³⁻). Тим часом у металевому ядрі азот прослизнув у проміжки між атомами заліза, поводячись більше як нейтральний атом. Така поведінка змусила більшу кількість азоту покинути розплавлений силікат для обіймів ядра.

Дослідження не зупинилося на азоті. Проаналізувавши попередні дослідження, Хуанг і Цучія виявили, що вуглець, хоч і є дещо сидерофільним (металолюбним), був меншим, ніж азот, в умовах глибокого океану магми. Аргон, інертний елемент, зовсім не дбав про метали. Ця ієрархія — азот > вуглець > аргон у перевагах ядра — може вирішити дві таємниці.

Моделювання раннього запасу летючих речовин на Землі

Щоб кількісно визначити це, дослідники побудували модель акреції Землі 4,6 мільярда років тому. Припустімо, що Земля отримала летючі речовини з вуглецевих хондритів, метеоритів зі складом, подібним до ранньої Сонячної системи. Доставляючи лише 5–10% маси Землі з цих порід, ви отримаєте достатньо азоту, вуглецю та аргону. Якби утворення ядра відбулося в глибокому магматичному океані (наприклад, 60 ГПа), понад 80% азоту занурилося б у ядро, залишаючи в мантії 1–7 частин на мільйон, що відповідає спостереженням. Вуглець, який менше бажає покинути, залишиться в мантії, створюючи спостережуване високе співвідношення C/N. Аргон, відкинутий як ядром, так і мантією, буде непропорційно сконцентрований в атмосфері, що пояснює високий рівень ³⁶ Ar/N BSE.

Це відкриття змінює наше розуміння нестабільного походження Землі. Роками вчені сперечалися, чи означають дивні співвідношення Землі, що вона накопичує незвичайні метеорити, чи втрачає азот у космос. Це дослідження наводить аргументи на користь простішої історії: леткі речовини Землі утворилися з вуглецевих хондритів, але їхню долю вирішила екстремальна фізика утворення ядра. Глибина диференціації мала найбільше значення — мілкі магматичні океани не могли створити спостережувані співвідношення, але глибокі ідеально повторюють летючий відбиток пальця Землі. Це також пов’язано з аргументом про те, що відмінні коефіцієнти мінливості BSE порівняно з хондритами можуть відображати різний час акреції, а не різні джерела.

Умови для життя, встановлені розділенням ядра та мантії

Цей процес формування ядра визначив, скільки азоту зберігається в BSE, що є однією з передумов великої кількості біологічно необхідних елементів в атмосфері Землі та кам’янистих шарах. Незважаючи на те, що Землі знадобилося багато часу, щоб стати придатною для життя, умови, необхідні для життя, могли бути створені мільярди років тому, коли ядро ​​та мантія розділилися.

Зрештою, земний азот не був втрачений. Він ховався на видноті, замкнений у ядрі протягом мільярдів років. Це відкриття нагадує нам, що історія нашої планети написана не лише в каменях і скам’янілостях, але й у таємничих уподобаннях атомів під неймовірним тиском. Джерело