چگونه زمین اولیه آب خود را از نابودی کامل نجات داد؟!

آب زمین ممکن است با پنهان شدن در اعماق گوشته (Mantle)، از روزهای آتشین آغازین خود جان سالم به در برده باشد. حدود 4.6 میلیارد سال پیش، زمین شباهت کمی به جهان آبی و آرامی داشت که امروز می‌بینیم. برخوردهای مکرر و قدرتمند فضایی، سطح و داخل سیاره را در یک حالت مذاب تقریباً ثابت نگه داشته بود و اقیانوسی جهانی از ماگما ایجاد کرده بود. شرایط به قدری شدید بود که آب مایع نمی‌توانست در هیچ جای سیاره وجود داشته باشد و زمین بیشتر شبیه یک کوره وسیع و سوزان بود!

امروزه، اقیانوس‌ها حدود 70 درصد از سطح زمین را پوشانده‌اند. این تضاد آشکار، مدت‌هاست که علاقه علمی به این موضوع را برانگیخته است که آب چگونه توانسته است از تبدیل زمین از یک حالت مذاب اولیه به یک سیاره عمدتاً جامد جان سالم به در ببرد و در طول این دوره خشن، به جای اینکه کاملاً از دست برود، چگونه حفظ شده است.

یک مطالعه جدید به رهبری پروفسور ژی شوئه دو از مؤسسه ژئوشیمی گوانگژو در آکادمی علوم چین (GIGCAS)، بینش جدیدی را در مورد این راز دیرینه ارائه می‌دهد. این تحقیق نشان می‌دهد که مقادیر زیادی آب می‌توانسته است با سرد شدن و تبلور گوشته زمین از سنگ مذاب، به طور مؤثر در اعماق آن “قفل” شده باشد.

این یافته‌ها که در مجله Science منتشر شده است، نحوه تفکر دانشمندان درباره محل ذخیره آب در داخل سیاره را تغییر می‌دهد. این مطالعه نشان می‌دهد که بریجمنیت (Bridgmanite)، فراوان‌ترین کانی در گوشته زمین، می‌تواند به عنوان یک “ظرف آب” میکروسکوپی عمل کند. این ویژگی به زمین اولیه این امکان را می‌داده است که با جامد شدن تدریجی سیاره، مقادیر قابل توجهی آب را در داخل خود حفظ کند.

تیم تحقیقاتی استدلال می‌کند که این آب که در اوایل حفظ شده است، ممکن است برای تبدیل زمین از یک جهنم سوزان به یک جهان قابل سکونت حیاتی بوده باشد.

به چالش کشیدن مفروضات دیرینه

مطالعات قبلی، که متکی به شرایط آزمایشگاهی نسبتاً کم‌دما بودند، نشان می‌دادند که بریجمنیت ظرفیت ذخیره آب محدودی دارد. محققان می‌خواستند این فرضیه را آزمایش کنند، اما با دو چالش اصلی روبه‌رو بودند. اول، آنها باید شرایط شدید موجود در اعماق بیش از 660 کیلومتری را در آزمایشگاه شبیه‌سازی می‌کردند. دوم، آنها باید سیگنال‌های آب را در نمونه‌های بریجمنیت – که برخی از آنها کوچک‌تر از یک دهم عرض یک تار موی انسان بودند – با غلظت‌هایی به کمی چند صد قسمت در میلیون (ppm) به‌طور دقیق تشخیص می‌دادند.

آنها با ساخت یک دستگاه آزمایشگاهی سلول سندان الماس (Diamond Anvil Cell) مجهز به گرمایش لیزری و تصویربرداری با دمای بالا، بر این موانع غلبه کردند. این دستگاه شبیه‌سازی با فشار فوق‌العاده بالا که توسط خودشان توسعه داده شد، دمای آزمایش را به‌طرز چشمگیری بالا برد – تا حد افراطی حدود 4,100 درجه سانتی‌گراد. این سیستم با موفقیت شرایط گوشته عمیق را بازسازی کرد و امکان اندازه‌گیری دقیق دماهای تعادلی را فراهم آورد و زمینه را برای درک نقش دما در جذب آب توسط کانی‌ها فراهم کرد.

علاوه بر این، محققان با استفاده از پلتفرم‌های تحلیلی پیشرفته GIGCAS، از تکنیک‌هایی مانند پراش الکترونی سه‌بعدی کرایوژنیک و NanoSIMS استفاده کردند. آنها همچنین با همکاری پروفسور تائو لانگ از مؤسسه زمین‌شناسی آکادمی علوم زمین‌شناسی چین، توموگرافی پراب اتمی (APT) را ادغام کردند. در مجموع، این ابزارها امکان توسعه روش‌های نوآورانه‌ای را برای تجزیه و تحلیل آب در مقیاس میکرو تا نانومتر فراهم آوردند و به‌طور مؤثری دنیای میکروسکوپی را به “اسکنرهای CT شیمیایی” و “طیف‌سنج‌های جرمی” با وضوح فوق‌العاده بالا مجهز کردند.

این فناوری به این تیم تحقیقاتی اجازه داد تا توزیع آب را در نمونه‌های کوچک به وضوح تجسم کنند و تأیید کنند که آب به صورت ساختاری در بریجمنیت حل شده است.

گوشته داغ‌تر، زمین خیس‌تر

داده‌های این تیم نشان داد که ظرفیت “قفل کردن آب” بریجمنیت (که با ضریب توزیع آب آن اندازه‌گیری می‌شود) با افزایش دما به‌طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. این بدان معناست که در طول داغ‌ترین فاز “اقیانوس ماگما” زمین، بریجمنیت در حال تبلور می‌توانسته است آب بسیار بیشتری را نسبت به آنچه قبلاً تصور می‌شد، در خود حفظ کند و مستقیماً دیدگاه دیرینه مبنی بر تقریباً خشک بودن گوشته تحتانی عمیق را رد می‌کند.

بر اساس این کشف، این تیم تحقیقاتی، تبلور اقیانوس ماگما را مدل‌سازی کردند. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که به لطف توانایی قوی بریجمنیت در قفل کردن آب تحت دماهای بالای اولیه، گوشته تحتانی پس از جامد شدن اقیانوس ماگما، به بزرگ‌ترین مخزن آب در گوشته جامد تبدیل شد. این مدل نشان می‌دهد که ظرفیت ذخیره آن می‌تواند 5 تا 100 برابر بیشتر از تخمین‌های قبلی باشد و کل مقدار آب حفظ‌شده در گوشته جامد اولیه نیز ممکن است حتی برابر با 0.08 تا 1 برابر حجم تمام اقیانوس‌های مدرن باشد.

این آب دفن شده در اعماق، یک ذخیره ثابت نبود. بلکه به عنوان یک “روان کننده” برای موتور عظیم زمین‌شناختی زمین عمل کرد: نقطه ذوب و ویسکوزیته سنگ‌های گوشته را کاهش داد، گردش داخلی و حرکت صفحات را ترویج کرد و سرزندگی تکاملی پایداری را برای سیاره فراهم کرد.

با گذشت زمان، این آب محصورشده، به تدریج از طریق فعالیت‌های ماگمایی به سطح “پمپ” شد و به تشکیل جو و اقیانوس‌های اولیه زمین کمک کرد. محققان خاطرنشان کردند که “جرقه آبی” که در ساختار اولیه زمین مهر و موم شده بود، به احتمال زیاد به عنوان نیروی حیاتی عمل کرده است که سیاره ما را از یک جهنم ماگمایی به جهان آبی و دوستدار حیات که امروز می‌شناسیم، تبدیل کرده است.

منبع: Scitechdaily