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. Співвідношення C/N і 36Ar/N BSE сильно змінюються залежно від глибини диференціації та окислювально-відновних умов у прото-Землі. Лише диференціація в умовах глибокого океану магми може збільшити два співвідношення одночасно, щоб відповідати спостереженням для сучасної Землі 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