Vědci objevili hluboko uvnitř Země skrytý zdroj kyslíku, který by mohl přepsat historii naší planety

Starodávné erupce mohly pomoci utvářet vzduch, který dýcháme. Laboratorní experimenty odhalily neočekávanou schopnost magmatu ukládat další kyslík. Roztavená hornina hluboko v nitru Země může pod tlakem přijímat další zásobu kyslíku, uvádí nová studie. Toto zjištění zvyšuje možnost, že stoupající magma by mohlo uvolňovat kyslík na cestě 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, ale jeho hojnost nemusí nutně znamenat, že je k dispozici k úniku do atmosféry. Velká část z něj je chemicky vázána na jiné prvky. Geologové obecně předpokládali, že množství a stavy elektrického náboje prvků, jako je křemík, hořčík a železo, určují, kolik kyslíku magma obsahuje. Znalost těchto složek by jim měla umožnit vypočítat kyslík potřebný k vyrovnání chemie. Zda by roztavená hornina mohla absorbovat další kyslík jako samostatnou těkavou složku, stejně jako voda a oxid uhličitý, zůstalo do značné míry neprozkoumané.

Studii, která vyšla v časopise National Science Review, vedli Yanhao Lin a Ho-kwang Mao z Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR). Spolupracovali s profesorem Haiyang Niuem z Northwestern Polytechnical University a profesorem Wimem van Westrenenem z Vrije Universiteit Amsterdam.

Tlak zvyšuje schopnost magmatu pohlcovat kyslík
Aby vědci zjistili, zda magma dokáže pojmout více kyslíku, než kolik předpovídaly výpočty, museli mu zajistit jeho dodatečný přísun. Přidali oxid platiničitý (PtO₂), čímž vytvořili prostředí bohaté na kyslík pro syntetický čedič ze středooceánského hřbetu – laboratorně připravenou verzi sopečné horniny z oceánského dna. Pomocí pístových lisů roztavili tento čedič při teplotách 1 200 až 1 800 °C a tlacích v rozmezí od 1 atmosféry do 7 gigapascalů.

Tým rovněž provedl experimenty při stejných tlacích a teplotách, avšak bez přídavku oxidu platiničitého. Porovnání obou sad výsledků mělo odhalit, zda dostupnost dodatečného kyslíku ovlivnila množství, které v sobě roztavená hornina udržela.

Přebytečný kyslík v silikátovém skle se zvyšuje s tlakem. Kruhy a kosočtverce na připojeném obrázku znázorňují experimenty s čedičem, který byl plně roztavený, respektive částečně roztavený; prázdné symboly označují kontrolní experimenty bez přidaného zdroje kyslíku; čtverečky znázorňují výsledky molekulární dynamiky pro taveninu MgSiO3. Barvy označují teplotu. Přerušovaná čára označuje výchozí složení. Po rychlém ochlazení neboli zchlazení taveniny do skla vědci změřili zbývající kyslík v každém vzorku. Ne všechen kyslík se počítal jako nadbytečný. Část byla potřebná k vyvážení ostatních prvků a část byla obsažena ve vodě a oxidu uhličitém. Změřením elementárního složení skla a obsahu vody a oxidu uhličitého mohl tým odečíst tato započítávaná množství od celkového kyslíku. Zbytek nazvali „přebytečný kyslík“.

S přídavkem oxidu platiny se přebytečný kyslík při tlaku 1 atmosféry blížil nule, ale při tlaku 7 gigapascalů překročil 5 % hmotnosti vzorku. Kontrolní experimenty bez oxidu platiny poskytly pouze 0,2 % až 0,5 % přebytku kyslíku hmotnostně. Vysoký tlak proto zřejmě pomohl tavenině využít dodatečný přísun kyslíku. Během kalení mohlo dojít k úniku určitého množství kyslíku, takže naměřená množství pravděpodobně podhodnocují, kolik ho roztavené vzorky původně obsahovaly.

Kyslík se stává součástí skla
Bylo třeba vyřešit ještě jeden rozdíl: stal se kyslík součástí materiálu, nebo byl jednoduše zachycen uvnitř plynových bublin? Ramanova spektroskopie, která využívá rozptýlené světlo k prozkoumání struktury materiálu, nezaznamenala ve skle žádné známky kyslíku. To naznačovalo, že přebytečný kyslík byl začleněn do struktury skla.

Simulace vedené Niuem zkoumaly, jak by tavenina mohla tento přebytečný kyslík pojmout na atomové úrovni. Tým použil interatomové potenciály hlubokých neuronových sítí (DNN), výpočetní modely, které popisují, jak atomy interagují, s přesností ab initio výpočtů založených na základních fyzikálních principech. V simulacích kyslík vstupoval do taveniny, dokud nebylo dosaženo rovnováhy, což znamenalo, že nedošlo k dalšímu čistému příjmu.

Na obrázku v úvodu článku je schematický řez zemským pláštěm. Magma vytvořené v hluboké oblasti pláště bohaté na kyslík přenáší přebytečný kyslík nahoru. Když magma stoupá a tlak klesá, uvolňuje se přebytečný kyslík (modré tečky), který by mohl oxidovat mělký plášť, kůru a atmosféru. LIP: velká magmatická provincie; ULVZ: zóna ultranízké rychlosti.

Jak se rozpouštělo více kyslíku, elektrické náboje na atomech kyslíku se šířily do širšího rozsahu a malá část těchto atomů vytvořila mezi sebou vazby podobné peroxidu. Tyto změny nabídly vodítka k tomu, jak by chemie taveniny mohla pojmout kyslík nad množství předpokládané konvenčním způsobem. Simulace používaly zjednodušený systém hořčík-křemík-kyslík a produkovaly nižší obsah kyslíku než experimenty s čedičem, ale reprodukovaly stejný nárůst s tlakem.

Tato tlaková závislost se podobá chování vody a oxidu uhličitého, které se v magmatu při vyšších tlacích snadněji rozpouštějí. Autoři proto navrhují, aby byl kyslík také považován za samostatnou složku silikátových tavenin. To by mohlo změnit způsob, jakým vědci hodnotí vývoj magmatických oceánů, uvolňování těkavých látek a vývoj planetárních atmosfér, s důsledky pro dlouhodobou obyvatelnost na jiných terestrických planetách.

Magma mohlo dodávat atmosférický kyslík
Uvnitř Země by magma vytvořené v oxidovaných oblastech pláště mohlo pod tlakem shromažďovat značný přebytečný kyslík. Jak stoupá, klesající tlak by mohl snižovat množství kyslíku, které může zadržet, a způsobovat jeho postupné uvolňování. Kyslík by pak mohl řídit oxidační reakce v mělkém plášti, kůře a atmosféře, což by umožnilo magmatu přenášet oxidační energii z hlubin podzemí směrem k povrchu.

Vědci se domnívají, že tento proces by mohl pomoci vysvětlit časový překryv v historii Země. Významné zvýšení atmosférického kyslíku zhruba před 2,5 až 2,0 miliardami let se shodovalo se vznikem některých z největších velkých magmatických provincií (LIP), rozsáhlých akumulací hornin vzniklých sopečnou činností. Jejich hrubý odhad naznačuje, že pokud by magma vybuchlo během tohoto období a uvolnilo pouze 0,27 % své hmotnosti jako přebytečný kyslík, mohlo by dodat tolik kyslíku, kolik ho obsahuje dnešní atmosféra.

Zdroj: https://scitechdaily.com/scientists-discover-a-hidden-oxygen-source-deep-inside-earth-that-could-rewrite-our-planets-history/

autor: František Martinek