پنهان کاری کیهانی/ دانشمندان معمای نیتروژن 4.6 میلیارد ساله را حل کردند
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو؛ یک مطالعه جدید نشان می‌دهد که "نیتروژن از دست رفته" زمین احتمالاً در طول جوانی مذاب آن در هسته فلزی سیاره فرو رفته است، زیرا فشارهای شدیدی که نیتروژن را به شدت سیدروفیل (فلز دوست) می‌کند، کشیده شده است. این یافته یک معمای طولانی مدت در مورد ترکیب فرار زمین را حل می‌کند و نشان می‌دهد که اقیانوس ماگمای عمیق نقش مهمی در شکل دادن به ترکیب شیمیایی گوشته و جو سیاره ما داشته است.
چگونه تمایز هسته- گوشته بر توزیع عناصر فرار روی زمین تأثیر گذاشت
تاریخ زمین را به عنوان یک رمان اسرارآمیز تصور کنید که یکی از بزرگترین سوالات حل نشده آن این است: تمام نیتروژن کجا رفت؟ دانشمندان مدت‌ها مشاهده کرده‌اند که لایه بیرونی صخره‌ای زمین، گوشته، حاوی نیتروژن بسیار کمتری نسبت به سایر عناصر فرار مانند کربن و آب است. حتی گیج‌کننده‌تر، نسبت کربن به نیتروژن (C/N) و آرگون به نیتروژن (۳۶Ar/N) در زمین سیلیکات حجیم (BSE) - که تمام زمین به جز هسته فلزی آن را شامل می‌شود - به طور قابل‌توجهی بالاتر از نسبت‌های موجود در شهاب‌سنگ‌هایی است که گمان می‌رود این عناصر را در طول شکل‌گیری زمین تحویل داده‌اند.
برای چندین دهه، این مشکل "فقدان نیتروژن" محققان را گیج کرده است. اکنون، یک مطالعه جدید منتشر شده در Earth and Planetary Science Letters ممکن است پاسخی را ارائه دهد: نیتروژن ناپدید نشد، در یک بازی کیهانی پنهان کاری در اعماق سیاره فرو رفت.
برای کشف این راز، دانشمندان ساعت را ۴.۶ میلیارد سال به عقب برگرداندند، به زمانی که زمین یک کره مذاب و آتشین بود که توسط یک اقیانوس ماگما در عمق بیش از هزار کیلومتر پوشیده شده بود. در طول این دوره، عناصر سنگین مانند آهن به سمت مرکز فرو رفتند تا هسته را تشکیل دهند، در حالی که مواد سبک‌تر به سمت بالا شناور شدند و در گوشته سیلیکات جامد شدند.
این فرآیند که به عنوان تمایز هسته- گوشته شناخته می‌شود، ساختار لایه‌ای سیاره را ایجاد کرد. اما داستان فقط در مورد فلزات و مواد معدنی نبود، عناصر فراری مانند نیتروژن، کربن و آرگون نیز در حرکت بودند. جایی که این عناصر به پایان رسید - چه در هسته به دام افتاده باشند، چه در گوشته حل شوند یا در فضا گم شوند - به شکل گیری ساختار فعلی و ترکیب شیمیایی زمین کمک کرد.
پارادوکس نیتروژن در گوشته زمین
نیتروژن به خصوص معمایی است. در حالی که امروزه ۷۸ درصد اتمسفر را تشکیل می‌دهد، مقدار کل در کل گوشته سنگی زمین به طرز تکان دهنده‌ای کم است - فقط ۱ تا ۵ قسمت در میلیون. کربن و آرگون نسبت به نیتروژن بسیار بیشتر از شهاب سنگ‌هایی هستند که احتمالاً این عناصر را تحویل داده‌اند.
دانشمندان فرضیه‌های زیادی را ارائه کرده‌اند: شاید نیتروژن به فضا فرار کرده است، یا شاید هرگز در مقادیر زیاد ارسال نشده است. اما تیمی از محققان از مرکز تحقیقات ژئودینامیک، دانشگاه Ehime در ژاپن سوال متفاوتی را مطرح کردند: اگر هسته زمین بیشتر نیتروژن را بدزدد، چه؟
برای آزمایش این ایده، دانشمندان شرایط شدید اقیانوس ماگمای اولیه زمین را با استفاده از "ابر رایانه ها" بازسازی کردند. آنها رفتار نیتروژن را شبیه سازی کردند که در فشارهای ۱.۳۵ میلیون برابر فشار در سطح (۱۳۵ گیگا پاسکال) و گرم شدن تا ۵۰۰۰ کلوین، شرایطی که هزاران کیلومتر در اعماق یک سیاره جوان و مذاب یافت می‌شود، رفتار می‌کند.
آنها با استفاده از یک روش مکانیکی کوانتومی به نام دینامیک مولکولی از ابتدا همراه با روش ادغام ترمودینامیکی مبتنی بر فیزیک آماری، که برهمکنش‌های اتمی را بر اساس اصول فیزیک اساسی محاسبه می‌کند، ترجیحات نیتروژن را دنبال کردند: آیا با هسته غنی از آهن پیوند می‌یابد یا در مانتیت سیلیکات حل می‌شود؟
نیتروژن هسته را در شرایط شدید ترجیح می‌دهد
نتایج قابل توجه بود. در زیر گرما و فشار شدید اقیانوس ماگمایی عمیق، نیتروژن به "عاشق فلز" تبدیل شد. در ۶۰ گیگا پاسکال، احتمال پیوستن نیتروژن به هسته بیش از ۱۰۰ برابر بیشتر از ماندن در گوشته پس از انجماد آن بود. با افزایش فشار، این ترجیح افزایش یافت -، اما نه در یک خط مستقیم. در عوض، رابطه منحنی بود. این اثر غیرخطی قبلاً هرگز به وضوح نشان داده نشده بود و به توضیح اینکه چرا آزمایش‌های قبلی نتایج متناقضی را تولید کردند کمک می‌کند.
اما چرا نیتروژن این گونه رفتار می‌کند؟ شبیه سازی یک مکانیسم میکروسکوپی را نشان داد. در سیلیکات مذاب اقیانوس ماگما، اتم‌های نیتروژن در ابتدا با خود یا اتم‌های هیدروژن مانند یون‌های آمونیوم (NH ۴ +) پیوند می‌یابند. اما تحت فشارهای فزاینده، آنها از هم پاشیدند. نیتروژن به جای آن با اتم‌های سیلیکون پیوند خورده و به عنوان یون نیترید (N۳-) در شبکه سیلیکات یکپارچه می‌شود. در همین حال، در هسته فلزی، نیتروژن به شکاف بین اتم‌های آهن می‌لغزد و بیشتر شبیه یک اتم خنثی رفتار می‌کند. این رفتار باعث شد که نیتروژن بیشتر سیلیکات مذاب را برای آغوش هسته رها کند.
با بررسی مطالعات قبلی دریافتند که کربن، در حالی که تا حدودی سیدروفیل (فلز دوست) است، کمتر از نیتروژن در شرایط ماگمای عمیق اقیانوس است. آرگون، یک عنصر بی اثر، اصلاً به فلزات اهمیت نمی‌داد. این سلسله مراتب - نیتروژن > کربن > آرگون در اولویت اصلی - ممکن است دو معما را حل کند.
مدل سازی موجودی فرار زمین اولیه
برای تعیین کمیت این، محققان مدلی از برافزایش زمین را ۴.۶ میلیارد سال پیش ساختند. فرض کنید زمین از کندریت‌های کربنی، شهاب سنگ‌هایی با ترکیباتی شبیه به منظومه شمسی اولیه، مواد فرار به دست آورده است. تحویل تنها ۵ تا ۱۰ درصد از جرم زمین از این سنگ‌ها می‌تواند نیتروژن، کربن و آرگون کافی را تامین کند. اگر تشکیل هسته در یک اقیانوس ماگمایی عمیق (مثلاً ۶۰ گیگا پاسکال) اتفاق می‌افتد، بیش از ۸۰ درصد نیتروژن در هسته فرو می‌رود و گوشته را با ۱ تا ۷ پی پی‌ام باقی می‌گذارد - مشاهدات مشابه. کربن که کمتر مشتاق خروج بود، در گوشته باقی می‌ماند و نسبت C/N بالا مشاهده شده را ایجاد می‌کرد. آرگون که توسط هسته و گوشته رد می‌شود، به طور نامتناسبی در اتمسفر متمرکز می‌شود و بالا بودن ۳۶ Ar/N BSE را توضیح می‌دهد.
این کشف درک ما از منشاء فرار زمین را تغییر می‌دهد. برای سال‌ها، دانشمندان بحث می‌کردند که آیا نسبت‌های عجیب زمین به این معنی است که شهاب‌سنگ‌های غیرمعمول ایجاد می‌کند یا نیتروژن را در فضا از دست می‌دهد. این مطالعه برای داستان ساده‌تری استدلال می‌کند: مواد فرار زمین از کندریت‌های کربنی به وجود آمده‌اند، اما سرنوشت آنها توسط فیزیک شدید شکل‌گیری هسته مهر و موم شده است. عمق تمایز بیشترین اهمیت را داشت - اقیانوس‌های ماگمایی کم عمق نمی‌توانستند نسبت‌های مشاهده‌شده را ایجاد کنند، اما اقیانوس‌های عمیق کاملاً اثر انگشت فرار زمین را تکرار می‌کنند. این بیشتر به این استدلال مرتبط است که نسبت‌های فرار متمایز BSE در مقایسه با کندریت‌ها ممکن است زمان‌های برافزایش متفاوتی را به جای منابع مختلف منعکس کند.
شرایط زندگی با جداسازی هسته و گوشته تعیین می‌شود
این فرآیند تشکیل هسته تعیین کرده است که چه مقدار نیتروژن در BSE، یکی از پیش نیاز‌های فراوانی عناصر زیست ضروری در جو زمین و لایه‌های سنگی، حفظ شده است. علیرغم این واقعیت که زمان زیادی طول کشید تا زمین قابل سکونت شود، شرایط ضروری برای زندگی ممکن است میلیارد‌ها سال پیش و زمانی که هسته و گوشته از هم جدا شدند، تنظیم شده باشد.
در نهایت نیتروژن زمین از بین نرفت. میلیارد‌ها سال است که در یک دید آشکار پنهان شده است و در هسته آن قفل شده است. این کشف به ما یادآوری می‌کند که تاریخ سیاره ما نه تنها در سنگ‌ها و فسیل‌ها، بلکه در ترجیحات مرموز اتم‌ها تحت فشارهای غیرقابل تصور نوشته شده است.
مرجع: "ویژگی‌های نیتروژن-کربن-آرگون زمین سیلیکات ایجاد شده توسط تمایز هسته عمیق- گوشته" توسط Shengxuan Huang و Taku Tsuchiya، ۶ مارس ۲۰۲۵، Earth and Planetary Science Letters.