Starověké sopečné erupce mohly pomoci utvářet vzduch, který dnes dýcháme, jelikož laboratorní experimenty odhalily neočekávanou schopnost magmatu ukládat další kyslík.
Nová studie naznačuje, že roztavená hornina hluboko v nitru Země může pod tlakem absorbovat další kyslík. Toto zjištění naznačuje možnost, že stoupající magma uvolňovalo kyslík, jak se blížilo k povrchu, což je proces, který mohl přispět ke zvýšení atmosférického kyslíku před miliardami let.
Kyslík tvoří více než polovinu atomů v silikátovém nitru Země. Jeho hojnost však nutně neznamená, že se může uvolňovat do atmosféry. Velká část z něj je chemicky vázána s jinými prvky.
Geovědci se obecně domnívali, že množství a stavy elektrického náboje prvků, jako je křemík, hořčík a železo, určují, kolik kyslíku magma obsahuje. Znalost těchto složek by měla umožnit vypočítat množství kyslíku potřebné k vyrovnání jeho chemického složení.
Zda však roztavená hornina dokáže absorbovat další kyslík jako samostatnou těkavou složku, jako je tomu u vody a oxidu uhličitého, zůstalo do značné míry neprozkoumané.
Studie, publikovaná v časopise National Science Review, byla vedena Dr. Yanhao Linem a Dr. Ho-Kuang Maem z Centra pro pokročilý výzkum vědy a technologií vysokého tlaku (HPSTAR). Na výzkumu se podíleli také profesor Haiyang Niu ze Severozápadní čínské technologické univerzity a profesor Wim van Westrenen z Volné univerzity v Amsterdamu.
Tlak zvyšuje absorpci kyslíku magmatem
Aby vědci otestovali, zda magma dokáže absorbovat více kyslíku, než předpovídaly výpočty, museli mu poskytnout další zdroj kyslíku. Přidali oxid platiny (PtO₂), čímž vytvořili prostředí bohaté na kyslík pro syntetický čedič ze středooceánského hřbetu, laboratorně vyrobený materiál, který simuluje sopečnou horninu oceánského dna.
Pomocí pístovo-válcových lisů a krychlových lisů tavili čedič při teplotách od 1200 do 1800 stupňů Celsia (a při tlacích od 1 atmosféry do 7 gigapascalů). Na nejvyšší úrovni tento tlak odpovídá přibližně 1 milionu liber na čtvereční palec.
Tým také provedl experimenty za stejných tlaků a teplot, ale bez přidání oxidu platiny. Porovnání obou sad experimentů by pomohlo určit, zda dodatečná dostupnost kyslíku ovlivnila množství zadržené roztavené horniny.
Poté, co byly taveniny rychle ochlazeny – proces známý jako kalení – a přeměněny na sklo, vědci změřili množství kyslíku, které v každém vzorku zbývalo. Ne veškerý kyslík však bylo možné považovat za nadbytečný. Část z něj byla potřebná k vyvážení ostatních prvků, zatímco část byla obsažena ve vodě a oxidu uhličitém.
Změřením elementárního složení skla, stejně jako obsahu vody a oxidu uhličitého, tým odečetl od celkového množství kyslíku, které bylo možné vypočítat na základě výše uvedeného. Zbytek byl nazván »přebytečný kyslík«.
Po přidání oxidu platiny byl přebytek kyslíku při tlaku 1 atmosféry téměř nulový, ale při tlaku 7 gigapaskalů překročil 5 % hmotnosti vzorku. V kontrolních experimentech bez oxidu platiny se přebytek kyslíku pohyboval od pouhých 0,2 % do 0,5 % hmotnostních.
Vysoký tlak tedy zřejmě pomohl tavenině využít dodatečný přísun kyslíku. Je možné, že během rychlého ochlazování uniklo určité množství kyslíku, což znamená, že měření mohou podhodnocovat množství původně obsažené v roztavených vzorcích.
Kyslík je začleněn do struktury skla
Stále zbývala jedna otázka: byl kyslík zabudován do samotného materiálu, nebo byl jednoduše zachycen v plynových bublinách? Ramanova spektroskopie, technika využívající rozptýlené světlo k prozkoumání struktury materiálu, nezaznamenala ve skle charakteristický signál molekulárního kyslíku. To naznačovalo, že přebytečný kyslík byl zabudován do struktury skla.
Simulace vedené Niuem zkoumaly, jak by tavenina mohla tento přebytečný kyslík začlenit na atomární úrovni. Tým použil interatomové interakční potenciály založené na hlubokých neuronových sítích (DNN), výpočetních modelech, které popisují, jak atomy interagují, a snaží se přiblížit přesnosti ab initio výpočtů založených na základních fyzikálních principech. V simulacích byl kyslík do taveniny zaváděn, dokud nebylo dosaženo rovnováhy, tedy dokud se neustavil čistý příjem přebytečného kyslíku.
S rozpouštěním většího množství kyslíku se elektrické náboje na atomech kyslíku rozšířily do širšího rozsahu hodnot, zatímco malé procento těchto atomů tvořilo vzájemné vazby podobné těm v peroxidech. Tyto změny poskytly vodítko k tomu, jak by chemie taveniny mohla umožnit začlenění kyslíku nad množství předpovězené konvenčními výpočty.
Simulace byly založeny na zjednodušeném systému hořčíku, křemíku a kyslíku a poskytly nižší koncentrace kyslíku než ty, které byly naměřeny v experimentech s čedičem. Reprodukovaly však stejné zvýšení obsahu kyslíku se zvyšujícím se tlakem. Tato tlaková závislost připomíná chování vody a oxidu uhličitého, které se v magmatu snáze rozpouštějí při vyšších tlacích.
Z tohoto důvodu autoři navrhují, aby byl kyslík také považován za samostatnou složku silikátových tavenin. Takový přístup by mohl změnit způsob, jakým vědci studují vývoj magmatických oceánů, uvolňování těkavých látek a formování planetárních atmosfér, s potenciálními důsledky pro pochopení dlouhodobé obyvatelnosti jiných skalnatých planet.
Magma mohlo přispět k zásobování atmosféry kyslíkem
V nitru Země se magma vytvořené v oxidovaných oblastech pláště mohlo za vysokého tlaku akumulovat značné množství přebytečného kyslíku.
Jak magma stoupá k povrchu, pokles tlaku by mohl omezit množství kyslíku, které může pojmout, a způsobit jeho postupné uvolňování. Tento kyslík by pak mohl spustit oxidační reakce v horním plášti, kůře a atmosféře, což by umožnilo magmatu přenést oxidační energii z hlubokých vrstev planety na povrch.
Vědci naznačují, že tento proces by mohl pomoci vysvětlit časovou shodu v historii Země. Významný nárůst atmosférického kyslíku, asi před 2,5 až 2 miliardami let, se shodoval s formováním některých z největších velkých magmatických provincií (LIP), obrovských akumulací hornin vytvořených sopečnou činností.
Podle hrubého výpočtu vědců, pokud magma vybuchlo během tohoto období a uvolnilo pouze 0,27 % své hmotnosti jako přebytečný kyslík, mohlo poskytnout množství kyslíku rovné tomu, které je dnes obsaženo v celé zemské atmosféře.
(is)
ZDROJ – Magma jako nosič nestechiometrického kyslíku spojující zemské nitro a atmosféru, Oxford Academic