7 Minutės
Nauji eksperimentai rodo, kad Žemės tirštosios jaunystės metu didžiuliai vandens kiekiai galėjo būti įkalinti giliau mantijoje, o ne prarasti į kosmosą. Šis paslėptas rezervuaras – vanduo struktūriškai įterptas į mineralą bridgmanitą, kol planeta atvėso – galėjo turėti lemiamą reikšmę, kad Žemė tapo tinkama gyvybei.
Bridgmanitas: planetos mikroskopinė vandens saugykla
Maždaug prieš 4,6 milijardo metų Žemė buvo chaotiška, žėrinčia ugnimi apgaubta masė. Dažni ir didžiuliai smūgiai laikė paviršių ir didžiąją vidinę dalį lydančią, susidarydavo globalus magmos vandenynas, kuriame paviršinis skystas vanduo negalėjo egzistuoti. Vis dėlto šiandien beveik 70 % planetos dengia vandenynai. Kaip vanduo išgyveno tą kankinančią ir itin karštą epochą? Šis klausimas siejasi su pagrindiniais geochemijos ir planetų evoliucijos klausimais: kokie procesai leido skysčiams išlikti ir vėliau formuoti atmosferą bei hidrosferą.
Naujausi GIGCAS (Guangzhou Institute of Geochemistry) profesoriaus Zhixue Du vadovaujamos grupės tyrimai pateikia įtikinamą atsakymą: bridgmanitas, dominavęs apatiniame mantijos sluoksnyje, gali įtraukti ir palaikyti vandenį atominiu lygiu. Anksčiau bridgmanitas dažnai buvo laikomas praktiškai sausuoju esant didelio gylio mantijos sąlygoms, tačiau Du komanda parodė, kad jo gebėjimas talpinti vandenį didėja temperatūrai kylant. Tai reiškia, kad paradoksaliai karščiausias Žemės ankstyvosios istorijos etapas buvo palankiausias momentas, kai mantija galėjo „užrakinti“ reikšmingus vandens kiekius į mineralinį tinklelį.
Laboratoriniai pasiekimai, atkuriantys giliosios mantijos ekstremalias sąlygas
Norėdami įvertinti, kiek vandens bridgmanitas gali talpinti, mokslininkai turėjo atlikti du sudėtingus uždavinius: atkurti sąlygas daugiau nei 660 kilometrų gylyje ir išmatuoti vandenį mėginiuose, kurie yra daug mažesni nei žmogaus plauko skersmuo. Tokios eksperimentinės sąlygos reikalauja aukšto slėgio ir itin aukštos temperatūros derinio, taip pat itin tikslių analitinių metodų, galinčių registruoti vandenį ir jo izotopines savybes mažo tūrio pėdsakuose. Komanda sukonstravo specialų diamond anvil cell su lazeriniu kaitinimu ir aukštos temperatūros vaizdavimo sistema, leidžiančią pasiekti pusiausvyros temperatūras arčiau ~4100 °C – sąlygas, kurios geriau atitinka senovinį magmos vandenyną nei daugelis ankstesnių, žemesnės temperatūros bandymų.
Probing water in a tiny experiment sample
Analitiškai projektas sujungė kelis aukštos klasės instrumentus: kriogeninę trijų matmenų elektronų sklaidos difrakciją (3D electron diffraction), NanoSIMS – labai raiškų izotopų ir elementinį žemėlapiavimą, bei atomų tyrimo tomografiją (APT), leidžiančią atskleisti cheminius ryšius beveik atominiu mastu. Kartu šios priemonės veikė kaip mikroskopiniai „cheminių kompiuterinių tomografų“ ir aukštos raiškos „masių spektrometrų“ kombinacija. Tai leido tyrėjams vizualizuoti vandens pasiskirstymą smulkiose bridgmanito kristalų dalelėse ir patvirtinti, kad vanduo yra struktūriškai ištirpintas mineraliniame tinkle, o ne tik užstrigęs tarpgrūdiniame skysčio sluoksnyje.
Svarbiausi atradimai: karštesnė mantija reiškia drėgnesnį vidų
Eksperimentai parodė, kad bridgmanito vandens atskyrimo koeficientas – rodiklis, kiek vandens mineralas įsisavina santykyje su magmos tirpalu – didėja kylant temperatūrai. Praktiniu požiūriu tai paneigia ankstesnes prielaidas: magmos vandenyno fazėje, kol bridgmanitas kristalizavosi iš atvėstančios magmos, jis galėjo sulaikyti gerokai daugiau vandens, nei manyta anksčiau. Šis priklausomybės nuo temperatūros efektas parodo, kad ankstyvosios planetos karščiausias periodas buvo efektyviausias vandens sequestracijai į kietą mantiją, o ne vien tik jo praradimui į kosminį erdvę ar atmosferinį išgarinimą.
Naudodami kristalizacijos modelius, tyrėjai atskleidė, kad ankstyvoji apatinė mantija galėjo tapti didžiausiu vandens rezervuaru standžiojoje Žemėje. Simuliacijos rodo, jog toks sulaikytas rezervuaras galėjo turėti potencialą, kuris yra nuo 5 iki 100 kartų didesnis už ankstesnius įverčius. Absoliučiais terminais tai reiškia, kad ankstyvojoje kietoje mantijoje galėjo būti nuo ~0,08 iki ~1 kartų šiuolaikinių Žemės vandenynų tūrio. Tai reikšmingas kiekis – pakankamas paveikti ilgalaikę klimato raidą, mantelinius srautus ir geodinamiką, taip pat įtakoti vandenų ciklą geologiniu mastu.
Kaip paslėptas vanduo formavo Žemės evoliuciją
Vanduo mantijoje nėra tik pasyvus inventorius: ištirpęs vanduo mažina lydymosi temperatūrą ir mažina uolienų klampumą (viskozitetą), kas veiksmingai „sutepa" mantelinius konvekcijos procesus ir skatina litosferos plokščių judėjimą. Gili, vandeniu prisotinta sluoksnių koncentracija Žemės formavimosi etape galėjo pagreitinti vidinę cirkuliaciją, paskatinti antrinius plokštinių tektonikų procesus ir palaikyti nuolatinį vulkaninį emisijų tekimą – mechanizmus, kurie prisidėjo prie atmosferos formavimosi ir vandens sugrąžinimo į paviršių per šimtus milijonų metų. Tokie procesai taip pat yra svarbūs geochemijos ciklams: giluminio vandens mainai su litosfera keičia oksidacijos laipsnius, izotopines signalas ir ilgaamžiškumo chemines reakcijas, kurios vėliau gali būti stebimos uolienų įrašuose.
Evolution of deep water from the early Earth to the present day
Per geologinį laiką dalis to užkasto vandens būtų transportuota į viršų per mantijos plumes (kolonas) ir magmatines sistemas, palaipsniui papildydama paviršinius vandenynus ir padedama formuoti pirmykštę atmosferą. Šiuo požiūriu bridgmanite „sėklintas" vanduo magmos vandenyno fazėje veikė kaip pastovus vidinis šaltinis, palengvinęs Žemės transformaciją iš tirpstančios krosnies į santykinai vėsią, gyvybei tinkamą planetą. Tokia idėja sutelkia dėmesį į vidinių rezervuarų reikšmę planetų hidrosferų formavimuisi ir skatina naujus klausimus apie vandenų izotopinę evoliuciją bei grįžtamąją sąveiką tarp mantijos ir litosferos.
Reikšmė planetų mokslui ir tinkamumui gyventi
Šie rezultatai yra svarbūs ne tik Žemės istorijos interpretacijai. Supratimas, kaip mineralai saugo lakiuosius komponentus esant ekstremalioms sąlygoms, suteikia vertingų įžvalgų modeliuojant kitų žemiškų planetų ir egzoplanetų evoliuciją. Jei toks plačiai paplitęs mantijos mineralas kaip bridgmanitas gali užfiksuoti didelius vandens kiekius planetai esant karščiausiai, tuomet uolinės planetos, kurios praeina per ankstyvąsias magmos vandenynų fazes, galėtų išlaikyti lakiuosius komponentus pakankamai ilgai, kad vėlesniais etapais susiformuotų atmosfera ir paviršinis vanduo – tai yra pagrindiniai gyvybės tinkamumo ingredientai.
Žemės mokslininkams šie atradimai kelia poreikį peržiūrėti globalinius vandens biudžetus ir mantijos dinamikos modelius. Jie taip pat pabrėžia, kaip jautriai geocheminiai ciklai reaguoja į temperatūrines sąlygas ankstyvose planetų diferencijavimo stadijose ir rodo aukšto slėgio bei aukštos temperatūros eksperimentų svarbą ribojant modelius. Be to, atradimas, kad bridgmanito gebėjimas laikyti vandenį yra temperatūrai priklausomas, leidžia integruoti šiuos eksperimentinius duomenis į izotopinius ir geodinamikos modelius, kurie gali tiksliau atkurti vandens judėjimą per planetos istoriją.
Eksperto įžvalga
„Šis tyrimas keičia pasakojimą apie tai, kur Žemės vanduo atradusias savo prieglobstį per jos smurtingiausius etapus,“ sako dr. Maria Alvarez, planetų geofizikė, kuri nedalyvavo tyrime. „Parodžius, kad bridgmanitas yra gyvybingas, temperatūrai jautrus rezervuaras, tyrėjų grupė pateikia mechanistinį ryšį tarp ankstyvosios kristalizacijos, mantijos dinamikos ir vėlesnio paviršinių vandenynų atsiradimo. Tai padeda paaiškinti, kaip Žemė galėjo išsaugoti gyvybei būdingus elementus, nepaisant itin didelio pradinio įšilimo.“
Dr. Alvarez priduria, kad eksperimentinis požiūris – sujungiant itin aukštos temperatūros deimantų prietaiso „diamond anvil" bandymus su NanoSIMS ir APT metodais – nustato naują standartą tyrinėjant lakiųjų komponentų elgseną planetų vidiniuose sluoksniuose. Tokie metodai suteikia galimybę ne tik nustatyti vandens koncentraciją, bet ir atsekti jo chemines sąveikas bei izotopines savybes, kurios laikui bėgant palieka pėdsakus uolienų įrašuose.
Išvados
Parodžius, kad bridgmanitas gali sulaikyti reikšmingą kiekį vandens magmos vandenyno temperatūrose, nauji tyrimai siūlo tvirtą mechanizmą, kaip Žemė išsaugojo savo vandenį per smurtingą jaunystę. Koncepcija apie gilią, iš pradžių paslėptą vandens talpyklą pakeičia mūsų supratimą apie planetos evoliuciją, susiejant mikroskopinį mineralų elgesį su globaliais procesais, kurie padarė Žemę tinkamą gyventi. Ateities darbai, kurie sujungs šiuos eksperimentinius apribojimus su geodinaminiais ir izotopiniais modeliais, leis tiksliau apskaičiuoti, kiek vandens buvo saugoma ir vėliau perdirbta atgal į paviršių – svarbus žingsnis link vieningos Žemės vandens istorijos rekonstrukcijos. Šios įžvalgos turi ilgalaikį poveikį ne tik Žemės mokslo laukui, bet ir platesniam supratimui apie tai, kaip formuojasi ir išsaugomi gyvybei svarbūs komponentai kitose planetose ir egzoplanetose.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą