Учените разкриха мистерията на азота, който е на 4,6 милиарда години

Как диференциацията на ядрото и мантията повлия на разпределението на летливите елементи на Земята? Представете си историята на Земята като мистериозен роман, един от чиито най-големи въпроси без отговор е: къде отиде целият азот? Учените отдавна са забелязали, че скалистият външен слой на Земята, мантията, съдържа много по-малко азот от очакваното в сравнение с други летливи елементи като въглерод и вода. Още по-озадачаващо е, че съотношенията на въглерод към азот (C/N) и аргон към азот (³⁶Ar/N) в силикатната маса на Земята (BSE), която включва цялата Земя с изключение на нейното метално ядро, са значително по-високи, отколкото в метеоритите, за които се смята, че са доставили тези елементи по време на формирането на Земята.

От десетилетия този проблем с „липсващия азот“ озадачава изследователите. Сега ново проучване, публикувано в Earth and Planetary Science Letters,  може да даде отговор: азотът не е изчезнал, той е потънал дълбоко в планетата в космическа игра на криеница.

За да разрешат тази мистерия, учените върнаха часовника с 4,6 милиарда години назад до времето, когато Земята е била разтопена огнена топка, покрита с океан от магма с дълбочина повече от хиляда километра. През тази ера тежките елементи като желязото потъват в центъра, образувайки ядрото, докато по-леките материали се издигат и втвърдяват в силикатната мантия.

Този процес, известен като диференциация на ядрото и мантията, създава слоестата структура на планетата. Но историята не е само за метали и минерали —- летливи елементи като азот, въглерод и аргон също са били в движение. Къде се озовават тези елементи — в ядрото, разтворени в мантията или изгубени в космоса — те помогат за оформянето на настоящата структура и химичен състав на Земята.

Парадоксът на азота в мантията на Земята

Азотът е особено загадъчен. Въпреки че съставлява 78% от атмосферата днес, общото количество в цялата скалиста мантия на Земята е удивително малко — само 1 до 5 части на милион. В метеоритите, които вероятно са доставили тези елементи, има много повече въглерод и аргон, отколкото азот. Учените са изложили много хипотези: може би азотът е летял в космоса или може би никога не е бил доставен в големи количества. Но група изследователи от Изследователския център по геодинамика към университета Ехиме в Япония зададоха различен въпрос: какво ще стане, ако ядрото на Земята е откраднало повечето от азота?

За да тестват тази идея, учените пресъздават екстремните условия на ранния магмен океан на Земята, използвайки „суперкомпютри“. Те симулират как се държи азотът при налягане — 1,35 милиона пъти по-голямо от налягането на повърхността (135 GPa) и нагрято до 5000 K — условия, открити на хиляди километри дълбочина на младата, разтопена планета.

Използвайки квантово-механичен метод, наречен ab initio, който е молекулярна динамика, комбиниран с метод на термодинамична интеграция, базиран на статистическа физика, който изчислява взаимодействията на атомите въз основа на фундаменталните принципи на физиката, те проследяват предпочитанията на азота: свързва ли се с богатото на желязо ядро ​​или се разтваря в силикатната мантия?

При интензивни условия азотът се прикрепя към ядрото

Резултатите са били впечатляващи. Под силната топлина и натиск на дълбокия океан от магма, азотът се превръща в „любител на металите“. При 60 GPa азотът след като се втвърди е повече от 100 пъти по-вероятно да се прикрепи към ядрото, отколкото да остане в мантията. С повишаване на налягането това предимство се увеличава, но не по линеен начин. Вместо това връзката се влошава. Този нелинеен ефект никога не е бил ясно показван преди и помага да се обясни защо предишните експерименти са довели до противоречиви резултати.

Но защо азотът се държи по този начин? Моделирането разкрива микроскопичен механизъм. В разтопения силикат на океана от магма азотните атоми първоначално се свързват един с друг или водородните атоми като амониеви йони (NH4 ₊ ⁾ . Но под нарастващия натиск те се разпадат. Вместо това, азотът се свързва със силициевите атоми, интегрирайки се в силикатната мрежа под формата на нитридни йони (N³⁻). Междувременно в металното ядро ​​азотът се плъзва в пространствата между железните атоми, като се държи по-скоро като неутрален атом. Това поведение принуждава повече азот да напусне разтопения силикат, за да обгърне ядрото.

Изследванията не спират до азота. След като анализират предишни проучвания, Хуанг и Цучия откриват, че въглеродът, макар и донякъде сидерофилен (обичащ метал), е по-малко изобилен от азота в условията на дълбок магмен океан. Аргонът, който е инертен елемент, изобщо не се интересува от металите. Тази йерархия — азот > въглерод > аргон в предпочитанията на ядрото — би могла да разреши две мистерии.

Моделиране на ранния запас от летливи вещества на Земята

За да определят това количество, изследователите изграждат модел на акрецията на Земята преди 4,6 милиарда години. Да предположим, че Земята е получила летливи вещества от въглеродни хондрити — метеорити със състав, подобен на този на ранната Слънчева система. При доставката само на 5–10% от масата на Земята от тези скали се получава достатъчно азот, въглерод и аргон. Ако образуването на ядрото ​​се случи в дълбок магмен океан (напр. 60 GPa), над 80% от азота ще потъне в ядрото, оставяйки 1–7 части на милион в мантията, в съответствие с наблюденията. Въглеродът, който е по-малко склонен да напусне, ще остане в мантията, създавайки наблюдаваното високо съотношение C/N. Аргонът, отхвърлен както от ядрото, така и от мантията, би бил непропорционално концентриран в атмосферата, обяснявайки високия  ³⁶  Ar/N BSE.

Това откритие променя нашето разбиране за нестабилния произход на Земята. От години учените спорят дали странните съотношения на Земята означават, че тя натрупва необичайни метеорити или губи азот в космоса. Това изследване се аргументира за по-проста история: летливите вещества на Земята са се образували от въглеродни хондрити, но съдбата им е решена от екстремната физика на формирането на ядрото. Дълбочината на диференциация има най-голямо значение — плитките магмени океани не могат да произведат наблюдаваните съотношения, но дълбоките възпроизвеждат идеално летливия пръстов отпечатък на Земята. Това също е свързано с аргумента, че различните коефициенти на променливост на BSE в сравнение с хондритите може да отразяват различни времена на натрупване, а не различни източници.

Условия за живот, установени от отделянето на ядрото и мантията

Този процес на образуване на ядрото ​​определя колко азот се съхранява в BSE, което е една от предпоставките за големия брой биологично важни елементи в земната атмосфера и скалистите слоеве. Въпреки че на Земята ѝ отнема много време, за да стане обитаема, условията, необходими за живот, може да са били създадени преди милиарди години, когато ядрото и мантията са се разделили.

В крайна сметка земният азот не е загубен. Крие се на видно място, заключено в ядрото в продължение на милиарди години. Това откритие ни напомня, че историята на нашата планета е написана не само в скали и вкаменелости, но и в мистериозните предпочитания на атомите под невероятен натиск.