Forestil dig, hvis Jordens historie havde en mysteriumroman, og en af dens største uløste gåder var: Hvor gik al nitrogen hen? Forskere har længe vidst, at vores planets stenede ydre lag – mantlen – er underligt dårlige i nitrogen sammenlignet med andre flygtige elementer som kulstof eller vand. Meget underligt, c/n og 36AR/N -forhold i den bulk silikat jord (BSE, hele jorden minus den metalliske kerne) er langt højere end dem, der findes i meteoritterne, der angiveligt leverede disse ingredienser under planetens spædbarn.
I årtier har dette “manglende nitrogen” -problem forundret forskere. En ny undersøgelse offentliggjort i Jord- og planetarisk videnskabsbrev Endelig har svaret: et dramatisk spil af kosmisk skjul dybt inde i vores planet.
For at forstå dette mysterium er vi nødt til at spole tilbage 4,6 milliarder år. Jorden var en fyrig, smeltet bold, med et klyngende magma -hav mere end 1.000 kilometer dyb. I løbet af denne periode steg tungmetaller som Iron til dannelse af kernen, mens lettere mineralkomponenter steg og blev størknet derefter for at skabe silikatmantelen.
Denne proces, kaldet kernemanteldifferentiering, formede jordens lagdelte struktur. Men det var ikke kun metaller og klipper, der sorterede sig selv – flygtige elementer som nitrogen, kulstof og argon blev fanget i krydsbranden. Hvor disse elementer endte – fanget i kernen, opløst i mantelen eller tabt til rummet – byder på, hvorfor jorden ser ud og fungerer som den gør i dag.
Nitrogen er især gåtefuld. Mens det udgør 78% af atmosfæren i dag, er det samlede beløb i jordens hele stenede mantel chokerende lav – bare 1 til 5 dele pr. Million. Carbon og argon er langt mere rigelige i forhold til nitrogen end i meteoritterne, der sandsynligvis leverede disse elementer.
Forskere har foreslået mange hypoteser: Måske slap nitrogen ud i rummet, eller måske blev det aldrig leveret i store mængder. Men et team af forskere fra Geodynamics Research Center, Ehime University i Japan stillede et andet spørgsmål: Hvad hvis Jordens kerne stjal det meste af nitrogenet?
For at teste denne idé genskabte forskerne de ekstreme forhold for Jordens tidlige Magma Ocean ved hjælp af “supercomputere.” De simulerede, hvordan nitrogen opfører sig, når de pressede på pres op til 1,35 millioner gange presset ved overfladen (135 GPA) og opvarmet til 5.000 K – kondenter fandt tusinder af kilometer dybt inde i en ung, smeltet planet.
Ved hjælp af en kvantemekanisk metode kaldet ab initio molekylær dynamik kombineret med den termodynamiske integrationsmetode baseret på statistisk fysik, som beregner atominteraktioner fra grundlæggende fysikprincipper, spurgte de nitrogens præferencer: bindede det med den jernrige kerne eller opløses i silikatmantelen?
Resultaterne var slående. Under den intense varme og pres fra et dybt magma Ocean blev nitrogen en “metalelsker.” Ved 60 GPa var nitrogen mere end 100 gange mere tilbøjelige til at deltage i kernen end at blive i mantelen efter dens størkning. Efterhånden som trykket steg, voksede denne præference – men ikke i en lige linje. I stedet var forholdet buet. Denne ikke -lineære effekt var aldrig blevet tydeligt vist før og hjælper med at forklare, hvorfor tidligere eksperimenter gav modstridende resultater.
Men hvorfor opfører nitrogen sig på denne måde? Simuleringerne afslørede en mikroskopisk mekanisme. I det smeltede silikat af Magma Ocean er nitrogenatomer oprindeligt bundet med sig selv eller hydrogenatomer som ammoniumioner (NH4+). Men under stigende pres brød de fra hinanden. Nitrogen bundet i stedet med siliciumatomer, integreret i silikatnetværket som nitridioner (n³⁻).
I mellemtiden gled nitrogen i den metalliske kerne i huller mellem jernatomer og opførte sig mere som et neutralt atom. Denne opførsel fik mere nitrogen til at opgive det smeltede silikat til kernens omfavnelse.
Undersøgelsen stoppede ikke ved nitrogen. Kæmning med tidligere undersøgelser fandt Huang og Tsuchiya, at kulstof, selvom den var noget siderofil (metalelsk), var mindre end nitrogen under dybe magma-havforhold. Argon, et inert element, var overhovedet ikke interesseret i metaller. Dette hierarki – nitrogen> carbon> argon i kernepræference – kan løse to mysterier.
For at kvantificere dette byggede forskerne en model for Jordens akkretion for 4,6 milliarder år siden. Antag, at Jorden fik flygtige stoffer fra kulstofholdige chondritter, meteoritter med sammensætninger svarende til det tidlige solsystem. At levere kun 5% –10% af Jordens masse fra disse klipper ville levere nok nitrogen, kulstof og argon.
Hvis kernedannelsen skete i et dybt magma -hav (f.eks. 60 GPa), ville over 80% nitrogen synke ned i kernen, hvilket efterlod mantlen med 1-7 ppm – matchende observationer. Carbon, mindre ivrig efter at forlade, ville forblive i mantlen og skabe det observerede høje C/N -forhold. Argon, afvist af både kernen og mantlen, ville være uforholdsmæssigt koncentreret i atmosfæren og forklare det høje 36AR/N af BSE.
Denne opdagelse omformer vores forståelse af Jordens flygtige oprindelse. I årevis drøftede forskere, om Jordens underlige forhold betød, at det blev godkendt usædvanlige meteoritter eller mistet nitrogen til rummet. Denne undersøgelse argumenterer for en enklere historie: Jordens flygtige stoffer kom fra carbonaceous chondrites, men deres skæbner blev forseglet af den ekstreme fysik i kernedannelsen.
Differentieringsdybden var mest vigtig – Shallow Magma Oceans kunne ikke frembringe de observerede forhold, men dybe replikerer perfekt Jordens flygtige fingeraftryk. Dette forbinder yderligere til et argument om, at de forskellige flygtige forhold mellem BSE sammenlignet med chondrites kan afspejle forskellige akkretionstider snarere end forskellige kilder.
Denne kernedannelsesproces har bestemt, hvor meget nitrogen der blev bevaret i BSE, en af forudsætningerne for overflod af bioessentielle elementer i jordens atmosfære og stenede lag. På trods af at det tager Jorden i lang tid at blive beboelig, kan de essentielle for livet være blevet sat for milliarder af år siden, da kernen og mantlen adskilt.
I sidste ende blev Jordens nitrogen ikke tabt. Det har gemt sig i almindeligt syn, låst væk i kernen i milliarder af år. Denne opdagelse minder os om, at vores planets historie ikke kun er skrevet i klipper og fossiler, men i de kryptiske præferencer for atomer under ufattelige pres.