Τα βασικά σημεία του άρθρου
- Σύμφωνα με νέα μελέτη, το λιωμένο πέτρωμα βαθιά μέσα στη Γη μπορεί να απορροφήσει μια επιπλέον ποσότητα οξυγόνου υπό πίεση. Το εύρημα αυτό αυξάνει την πιθανότητα το ανερχόμενο μάγμα να απελευθερώνει οξυγόνο κατά την πορεία του προς την επιφάνεια, συμβάλλοντας στην αύξηση του ατμοσφαιρικού οξυγόνου.
- Εργαστηριακές δοκιμές και αναλύσεις με φασματοσκοπία Raman έδειξαν ότι υπό συνθήκες υψηλής πίεσης το πλεονάζον οξυγόνο ενσωματώνεται στην ίδια τη δομή του υλικού και δεν είναι απλώς παγιδευμένο μέσα σε φυσαλίδες αερίου.
- Οι ερευνητές υπολογίζουν ότι αν το μάγμα που εξερράγη πριν από 2,5 έως 2,0 δισεκατομμύρια χρόνια απελευθέρωνε μόλις το 0,27% του βάρους του ως πλεονάζον οξυγόνο, θα μπορούσε να είχε τροφοδοτήσει τον πλανήτη με τόσο οξυγόνο όσο περιέχει η σημερινή μας ατμόσφαιρα.
Κάθε φορά που παίρνουμε μια βαθιά ανάσα, σπάνια σκεφτόμαστε ότι το οξυγόνο που μας κρατά στη ζωή μπορεί να έχει μια βαθιά, σχεδόν “πύρινη” προϊστορία. Μέχρι σήμερα, η επιστημονική κοινότητα πίστευε ότι το οξυγόνο της ατμόσφαιρας οφειλόταν σχεδόν αποκλειστικά στη δράση των πρώτων φωτοσυνθετικών οργανισμών, όπως τα κυανοβακτήρια.
Ωστόσο, μια νέα ανατρεπτική έρευνα στρέφει το βλέμμα μας μακριά από τον ουρανό και μας οδηγεί στα έγκατα της Γης. Εργαστηριακά πειράματα αποκάλυψαν ένα καλά κρυμμένο μυστικό του πλανήτη: το μάγμα που βράζει κάτω από τα πόδια μας έχει την απροσδόκητη ικανότητα να λειτουργεί ως μια γιγαντιαία “σφουγγαρίστρα” οξυγόνου, αποθηκεύοντάς το και απελευθερώνοντάς το κατά τη διάρκεια αρχαίων ηφαιστειακών εκρήξεων.
Αυτή η ανακάλυψη έρχεται να αλλάξει ριζικά όσα ξέραμε για το πώς διαμορφώθηκε ο αέρας που αναπνέουμε σήμερα. Αρχαίες εκρήξεις ενδέχεται να βοήθησαν στη διαμόρφωση του αέρα που αναπνέουμε, καθώς εργαστηριακά πειράματα αποκαλύπτουν την απροσδόκητη ικανότητα του μάγματος να αποθηκεύει επιπλέον οξυγόνο.
Σύμφωνα με μια νέα μελέτη, το λιωμένο πέτρωμα βαθιά μέσα στη Γη μπορεί να απορροφήσει μια επιπλέον ποσότητα οξυγόνου υπό πίεση. Αυτό το εύρημα αυξάνει την πιθανότητα το ανερχόμενο μάγμα να απελευθερώνει οξυγόνο κατά την πορεία του προς την επιφάνεια, μια διεργασία που ίσως συνέβαλε στην αύξηση του ατμοσφαιρικού οξυγόνου πριν από δισεκατομμύρια χρόνια.
Το οξυγόνο αποτελεί περισσότερο από το μισό των ατόμων στο πυριτικό εσωτερικό της Γης, αλλά η αφθονία του δεν σημαίνει απαραίτητα ότι είναι διαθέσιμο για να διαφύγει στην ατμόσφαιρα. Μεγάλο μέρος του είναι χημικά δεσμευμένο με άλλα στοιχεία.
Οι γεωεπιστήμονες γενικά υπεθέταν ότι οι ποσότητες και οι καταστάσεις ηλεκτρικού φορτίου στοιχείων όπως το πυρίτιο, το μαγνήσιο και ο σίδηρος καθορίζουν πόσο οξυγόνο περιέχει το μάγμα. Γνωρίζοντας αυτά τα συστατικά, θα έπρεπε να μπορούν να υπολογίσουν το οξυγόνο που απαιτείται για να εξισορροπηθεί η χημεία.
Το αν το λιωμένο πέτρωμα θα μπορούσε να απορροφήσει επιπλέον οξυγόνο ως ξεχωριστό πτητικό συστατικό, όπως συμβαίνει με το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα, παρέμενε σε μεγάλο βαθμό ανεξερεύνητο.
Η μελέτη, η οποία δημοσιεύθηκε στο περιοδικό National Science Review, είχε ως επικεφαλής τον Δρ. Yanhao Lin και τον Δρ. Ho-kwang Mao από το Κέντρο Προηγμένης Έρευνας Επιστήμης και Τεχνολογίας Υψηλής Πίεσης (HPSTAR).
Οι ίδιοι συνεργάστηκαν με τον Καθηγητή Haiyang Niu του Πολυτεχνείου Northwestern και τον Καθηγητή Wim van Westrenen του Ελεύθερου Πανεπιστημίου του Άμστερνταμ (Vrije Universiteit Amsterdam).
Υπό πίεση: Πώς τα έγκατα της Γης αναγκάζουν το μάγμα να «καταπιεί» οξυγόνο
Για να ελέγξουν αν το μάγμα θα μπορούσε να προσλάβει οξυγόνο πέρα από αυτή την υπολογισμένη ποσότητα, οι ερευνητές έπρεπε να του παρέχουν μια επιπλέον πηγή οξυγόνου. Πρόσθεσαν οξείδιο του λευκοχρύσου (PtO₂) για να δημιουργήσουν ένα πλούσιο σε οξυγόνο περιβάλλον για συνθετικό βασάλτη μεσοωκεάνιας ράχης -μια εργαστηριακή εκδοχή ηφαιστειακού πετρώματος από τον πυθμένα του ωκεανού.
Χρησιμοποιώντας πρέσες εμβόλου-κυλίνδρου και κυβικές πρέσες, έλιωσαν τον βασάλτη σε θερμοκρασίες 1.200 έως 1.800 °C και υπό πιέσεις που κυμαίνονταν από 1 ατμόσφαιρα έως 7 γιγαπασκάλ (GPa).
Στο ανώτατο όριό της, αυτή η πίεση ισοδυναμεί περίπου με 1 εκατομμύριο λίβρες ανά τετραγωνική ίντσα (περίπου 70.000 φορές την ατμοσφαιρική πίεση στην επιφάνεια της Γης). Η ομάδα πραγματοποίησε επίσης πειράματα στις ίδιες πιέσεις και θερμοκρασίες χωρίς την προσθήκη οξειδίου του λευκοχρύσου.
Η σύγκριση των δύο αυτών συνόλων θα βοηθούσε να αποκαλυφθεί αν η διαθεσιμότητα επιπλέον οξυγόνου άλλαζε την ποσότητα που μπορούσε να συγκρατήσει το λιωμένο πέτρωμα. Μετά την απότομη ψύξη (υαλοποίηση) των τηγμάτων για τη μετατροπή τους σε γυαλί, οι ερευνητές μέτρησαν το οξυγόνο που απέμεινε σε κάθε δείγμα.
Δεν προσμετρήθηκε όλη η ποσότητα ως επιπλέον. Ένα μέρος του ήταν απαραίτητο για την εξισορρόπηση των άλλων στοιχείων, ενώ ένα άλλο μέρος περιεχόταν στο νερό και το διοξείδιο του άνθρακα.
Μετρώντας τη στοιχειακή σύσταση του γυαλιού, καθώς και την περιεκτικότητά του σε νερό και διοξείδιο του άνθρακα, η ομάδα μπόρεσε να αφαιρέσει αυτές τις δικαιολογημένες ποσότητες από το συνολικό οξυγόνο. Ονόμασαν το υπόλοιπο “πλεονάζον οξυγόνο“.
Με την προσθήκη οξειδίου του λευκοχρύσου, το πλεονάζον οξυγόνο ήταν σχεδόν μηδενικό σε πίεση 1 ατμόσφαιρας, αλλά ξεπέρασε το 5% του βάρους του δείγματος στα 7 γιγαπασκάλ. Τα πειράματα ελέγχου χωρίς οξείδιο του λευκοχρύσου απέδωσαν μόλις 0,2% έως 0,5% πλεονάζον οξυγόνο κατά βάρος. Επομένως, η υψηλή πίεση φάνηκε να βοηθά το τήγμα να αξιοποιήσει την επιπλέον παροχή οξυγόνου.
Μια ποσότητα οξυγόνου ενδέχεται να διέφυγε κατά τη διάρκεια της απότομης ψύξης, οπότε οι μετρούμενες ποσότητες πιθανότατα υποτιμούν το πόσο οξυγόνο συγκρατούσαν αρχικά τα λιωμένα δείγματα.
«Παγιδευμένο» στο γυαλί: Πώς το οξυγόνο ενσωματώνεται στη δομή των πετρωμάτων
Υπήρχε μια ακόμη διάκριση που έπρεπε να διευκρινιστεί: είχε το οξυγόνο γίνει μέρος του ίδιου του υλικού ή ήταν απλώς παγιδευμένο μέσα σε φυσαλίδες αερίου; Η φασματοσκοπία Raman, η οποία χρησιμοποιεί το σκεδαζόμενο φως για να εξετάσει τη δομή ενός υλικού, δεν εντόπισε κανένα ίχνος αέριου οξυγόνου στο γυαλί.
Αυτό υπέδειξε ότι το πλεονάζον οξυγόνο είχε ενσωματωθεί στην ίδια τη δομή του γυαλιού. Προσομοιώσεις με επικεφαλής τον Niu εξέτασαν πώς το τήγμα θα μπορούσε να απορροφήσει αυτό το επιπλέον οξυγόνο σε ατομικό επίπεδο.
Η ομάδα χρησιμοποίησε μεσοατομικά δυναμικά Βαθιών Νευρωνικών Δικτύων (DNN) -υπολογιστικά μοντέλα που περιγράφουν πώς αλληλεπιδρούν τα άτομα, με την ακρίβεια υπολογισμών ab initio (εκ των προτέρων) που βασίζονται σε θεμελιώδεις φυσικές αρχές. Στις προσομοιώσεις, το οξυγόνο εισερχόταν στο τήγμα μέχρι να επιτευχθεί ισορροπία, πράγμα που σημαίνει ότι δεν υπήρχε πλέον περαιτέρω καθαρή πρόσληψη.
Το «πύρινο» φιλί της ζωής: Πώς το μάγμα γέμισε την ατμόσφαιρα με οξυγόνο
Στο εσωτερικό της Γης, το μάγμα που σχηματίζεται σε οξειδωμένες περιοχές του μανδύα θα μπορούσε να συγκεντρώσει σημαντική ποσότητα πλεονάζοντος οξυγόνου όσο βρίσκεται υπό πίεση. Καθώς ανεβαίνει, η πτώση της πίεσης θα μπορούσε να μειώσει την ποσότητα οξυγόνου που μπορεί να συγκρατήσει, προκαλώντας μια σταδιακή απελευθέρωση.
Αυτό το οξυγόνο θα μπορούσε στη συνέχεια να πυροδοτήσει αντιδράσεις οξείδωσης στον αβαθή μανδύα, τον φλοιό και την ατμόσφαιρα, επιτρέποντας στο μάγμα να μεταφέρει οξειδωτική ισχύ από τα βάθη του υπεδάφους προς την επιφάνεια. Οι ερευνητές προτείνουν ότι αυτή η διεργασία ίσως βοηθά στην εξήγηση μιας χρονικής σύμπτωσης στην ιστορία της Γης.
Οι μεγάλες αυξήσεις στο ατμοσφαιρικό οξυγόνο πριν από περίπου 2,5 έως 2,0 δισεκατομμύρια χρόνια συνέπεσαν με τον σχηματισμό ορισμένων από τις μεγαλύτερες πυριγενείς επαρχίες (LIPs) —δηλαδή τεράστιων συσσωρεύσεων πετρωμάτων που δημιουργήθηκαν από ηφαιστειακή δραστηριότητα.
Οι πρόχειροι υπολογισμοί τους δείχνουν ότι αν το μάγμα που εξερράγη κατά τη διάρκεια εκείνης της περιόδου απελευθέρωνε μόλις το 0,27% του βάρους του ως πλεονάζον οξυγόνο, θα μπορούσε να είχε τροφοδοτήσει τον πλανήτη με τόσο οξυγόνο όσο περιέχει η σημερινή μας ατμόσφαιρα.