Skąd się wziął tlen w atmosferze? Naukowcy znaleźli wytłumaczenie

Magma jako magazyn tlenu

Tlen stanowi ponad połowę atomów w skalnym wnętrzu Ziemi. Geolodzy zakładali, że ilość tlenu w magmie wynika z ilości krzemu i żelaza oraz ich ładunków elektrycznych.

Wodę i dwutlenek węgla nazywamy składnikami lotnymi, bo rozpuszczają się w magmie i potem z niej uchodzą. Tlen do nich nie należał. Czy magma może jednak magazynować go jako osobny składnik? Tego praktycznie nie badano.

Naukowcy przetopili sztuczny bazalt z den oceanicznych w temperaturach od 1200 do 1800 stopni Celsjusza. Ciśnienie rosło od 1 atmosfery na powierzchni Ziemi do 7 gigapaskali, czyli około 70 tysięcy atmosfer.

Aby stworzyć środowisko bogate w tlen dodano tlenek platyny PtO2. Ze schłodzonych próbek powstało szkło. Zmierzono jego skład oraz zawartość wody i CO2. Po odjęciu tlenu potrzebnego innym pierwiastkom oraz wodzie i CO2 resztę nazwano nadmiarowym tlenem.

Jego ilość w szkle rosła z ciśnieniem od prawie zera przy 1 atmosferze do ponad 5 procent masy przy 7 gigapaskalach. Bez dodatku PtO2 było to tylko 0,2 do 0,5 procent. Analiza rozpraszania światła nie wykryła gazowego tlenu. Nadmiar jest więc wbudowany w strukturę szkła i nie tkwi w bąbelkach. Część tlenu mogła uciec przy schładzaniu, więc realna pojemność magmy jest pewnie większa.

Wyniki potwierdziły symulacje z użyciem sieci neuronowych pod kierunkiem prof. Haiyanga Niu z Northwestern Polytechnical University. Uproszczony skład dał niższe wartości, ale trend wzrostu z ciśnieniem został ten sam. W stopie bogatszym w tlen ładunki elektryczne atomów rozkładały się szerzej. Niewielka część tworzyła wiązania nadtlenkowe, czyli połączenia dwóch atomów tlenu.

Wzrost ilości tlenu z ciśnieniem przypomina to, jak chętniej rozpuszczają się w magmie woda i CO2. Autorzy uważają więc, że tlen to osobny składnik stopionych skał.

Magma z silnie utlenionych rejonów płaszcza pod skorupą mogłaby nieść dużą nadwyżkę tlenu. Gdy magma wznosi się, ciśnienie spada i stop oddaje tlen skorupie i atmosferze. To może tłumaczyć, dlaczego duże skoki tlenu w atmosferze sprzed 2,5 do 2 miliardów lat zbiegły się z powstaniem jednych z największych prowincji magmowych. To rozległe obszary wylewów lawy. Szacunek mówi, że do wytworzenia całego tlenu dzisiejszej atmosfery wystarczyłoby uwolnienie zaledwie 0,27 procent masy nadmiarowego tlenu z wylanej wtedy magmy.

Badania poprowadzili dr Yanhao Lin i dr Ho-kwang Mao z Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR), czyli ośrodka zajmującego się materią pod ekstremalnym ciśnieniem. Współpracował z nimi prof. Wim van Westrenen z Vrije Universiteit Amsterdam. Wyniki ukazały się w National Science Review.