Dünyanın Derinliklerinde Gizli Bir oksijen Kaynağı Keşfedildi

Yüksek basınç deneyleri ve gelişmiş bilgisayar simülasyonları aracılığıyla araştırmacılar, magmanın kimyasal bileşimi tarafından normalde gerektirilen miktardan daha fazla oksijen emebildiğini buldu. Bu gizli oksijen, Dünya’nın derin içi, volkanik aktivite ve zengin oksijenli atmosferin oluşumu arasında daha önce fark edilmemiş bir bağlantı sağlayabilir.

Araştırma, Yüksek Basınç Bilimi ve Teknolojisi İleri Araştırmalar Merkezi (HPSTAR)’nden Dr. Yanhao Lin ve Dr. Ho-kwang Mao önderliğinde, Kuzeybatı Teknik Üniversitesi’nden Prof. Haiyang Niu ve Amsterdam Vrije Üniversitesi’nden Prof. Wim van Westrenen ile işbirliği içinde yürütüldü. Bulgular, National Science Review’da yayımlandı.

Araştırmacılar Magmaya İlişkin Uzun Süredir Kabul Gören Varsayımı Meyha Vuruyor

Oksijen, Dünya’nın içindeki en yaygın öğelerden biridir ve gezegenin silikat iç kısmındaki atomların yarısından fazlasını oluşturur. Silikatlar, çoğunlukla silis ve oksijenden, ayrıca diğer öğelerden oluşan mineraller ve erimiş malzemelerdir. Dünya’nın manto ve kabuğunun büyük bir kısmını oluştururlar.

Oksijenin yaygınlığına rağmen, araştırmacılar geleneksel olarak magmanın yalnızca belirli bir miktarda oksijen içerebileceğini varsayıyordu. Bu anlayış altında, oksijen içeriği, silis, magnezyum ve demir dahil olmak üzere erimiş kayadaki diğer öğelerin miktarları ve elektrik yükü durumları tarafından belirlenir.

Su ve karbondioksiz farklı davranır. Her ikisi de magmada çözünür ve çevre basıncı azaldığında daha sonra gaz olarak kaçabilir. Bu maddeler uçucu öğe olarak bilinir ve salınımları volkanik aktivitede önemli bir rol oynar.

Oksijen, buna karşılık, magmanın emip salabildiği ayrı bir uçucu madde olarak genellikle değerlendirilmedi. Erimiş silikat kayanın sıradan kimyasal bileşiminden bağımsız olarak ekstra oksijen tutabilmesi büyük ölçüde araştırılmamıştı.

Yeni araştırma, bu varsayımın değişmesi gerekebileceğini öne sürüyor.

Uçuk Basınç Erimiş Kayada Gizli Oksijeni Ortaya Çıkarıyor

Araştırmayı yapmak için, bilim insanları olağanüstü basınç ve sıcaklıklar oluşturabilen laboratuvar ekipmanlarını kullanarak yerin derinlerinde bulunan koşulları yeniden yarattı.

Yerkabuğunun derinliklerinde sıkça bulunan sentetik bir bazalt türü olan ortadan okyanus sırtlarında tektonik levhaların ayrıldığı yerde yaygın olarak oluşan volkanik kayanın sentetik bir versiyonunu ısıttılar. Numuneler, normal atmosferik basınçtan 7 gigapaskale kadar değişen basınçlara ve 1200 ile 1800 °C arasında değişen sıcaklıklara maruz bırakıldı.

7 gigapaskalık basınç, yaklaşık olarak yerkabuğunun yüzeyindeki atmosferik basınçtan 69.000 katıdır.

Ekip, bu aşırı koşulları sürdürmek için özel piston-silindir ve kübik presler kullandı. Ayrıca oksijen açısından zengin bir ortam oluşturmak ve erimiş kayanın ne kadar ekstra oksijen emebileceğini test etmek için platin oksit (PtO₂) eklediler.

Deneylerin ardından araştırmacılar erimiş maddeyi hızla soğuttular ve bu da erimin önemli özelliklerini koruyan bir cam oluşumuna yol açtı. Ardından element bileşimini analiz ettiler ve mevcut su ve karbondioksit miktarlarını ölçtüler.

Bu ekstra miktarı “eksik oksijen” olarak adlandırdılar.

Sonuçlar, basınç ile oksijen depolama arasında çarpıcı bir ilişki ortaya koydu.

Normal atmosferik basınçta cam neredeyse hiç eksik oksijen içermiyordu. 7 gigapaskalda ise eksik oksijen, numunenin ağırlığının %5’inden fazlasını oluşturuyordu.

Karşılaştırma için, benzer basınç ve sıcaklıklarda platin oksit eklenmeden gerçekleştirilen deneyler, yalnızca ağırlığa göre %0,2 ile %0,5 arasında eksik oksijen konsantrasyonları üretmişti.

Araştırmacılar ayrıca bu ekstra oksijenin gerçekten maddeye dahil olup olmadığını yoksa yalnızca küçük gaz kabarcıkları olarak hapsedilip olmadığını da belirlemek istediler.

Işıkla etkileşimi inceleyerek maddeleri tanımlayan bir teknik olan Raman spektroskopisini kullanarak, camda algılanabilir bir oksijen gazı imzası bulamadılar. Bu, eksik oksijenin kabarcıklarda birikmek yerine cam yapısının bir parçası haline geldiğini gösteriyordu.

Ölçülen konsantrasyonlar, magmanın gerçek oksijen depolama kapasitesini even even aşağı gösterebilir. Bazı oksijen, erimiş örnekler soğurken kaçmış olabilir; bu da ilk erimelerin daha da büyük miktarlarda oksijen içermiş olabileceğini işaret eder.

Bilgisayar Simülasyonları Magmanın Fazla Oksijeni Nasıl Sakladığını Ortaya Çıkarıyor

Keşfin atomik düzeyde daha iyi anlaşılması için Prof. Niu, teorik bilgisayar simülasyonlarından oluşan bir dizi yönetti.

Araştırmacılar, atomlar arasındaki etkileşimleri, kuantum mekaniğinin temel ilkeleriyle atom davranışını tanımlayan ab initio hesaplamalarına yaklaşan doğrulukla simüle etmek için derin sinir ağı (DNN) modelleri kullandı.

Simülasyonlar, fazla oksijenin sistem dengeye ulaşana kadar—oksijenin erimeye girmesiyle erimeden ayrılması dengede olduğu bir durum—erimiş maddeye çözünebildiğini gösterdi.

Bilgisayar modelleri yalnızca magnezyum, silis ve oksijenden oluşan sadeleştirilmiş bir sistem kullansa da, laboratuvarda gözlemlenen aynı genel deseni yeniden üretti: magmanın fazla oksijeni tutma yeteneği basınçla arttı.

Simüle edilen oksijen konsantrasyonları, deney ölçümlerinden düşüktü; bu durum bilim insanları sadeleştirilmiş modelle gerçek bazaltın daha karmaşık kimyasal bileşimi arasındaki farklara bağladı.

Hesaplamalar, erimeye daha çok oksijen girdikçe oksijen atomlarının nasıl davrandığındaki değişimleri de ortaya çıkardı. Elektrik yükleri daha çeşitli hale geldi ve küçük bir oranı, oksijen atomlarının birbirine bağlandığı peroksit benzeri bağlar oluşturdu.

Bu değişimler, erimiş kayanın, geleneksel kimyasal modellerin öngördüğü miktardan fazla oksijeni nasıl kabul edebileceğini açıklamaya yardımcı oluyor.

Önemlisi, basınçtan bağımlı davranış, basınç arttıkça magmada çözünürlüğü artan su ve karbondioksitle benziyor.

Bu bulgulara dayanarak araştırmacılar, oksijenin silikat erimelerin bağımsız bir bileşeni olarak tanınması, yalnızca diğer elementlerle ilişki içinde değerlendirilmesi yerine gerektiğini öne sürüyor.

Eski Yanardağlar Dünya’nın Atmosferini Oksijenlemeye Yardımcı Olmuş Olabilir mi?

Kazanım, Dünya’nın geçmişi hakkında çok daha büyük bir soruyu gündeme getiriyor: Magma, gezegenin içinden yüzeye önemli miktarlarda oksijen taşıyabilirdi mi?

Araştırmacılar, oksitlemiş Dünya manto bölgelerinde oluşan magmayla ilgili olası bir mekanizma öne sürüyor.

Yerin derinlerindeki aşırı basınç altında bu magma, büyük miktarlarda fazla oksijeni emebilir. Yukarı doğru hareket ederken etrafındaki basınç azalır ve erimiş kayanın tutabileceği oksijen miktarı düşer.

Bu oksijenlerin bir kısmı daha sonra salınabilir ve muhtemelen Dünya’nın üst mantosunun, kabuğunun ve nihayetinde atmosferin oksitleşmesini artıran kimyasal reaksiyonlara katkıda bulunabilir.

Oksitleşme, elektron transferi içeren kimyasal süreçleri ifade eder. Bu bağlamda magma tarafından taşınan oksijen, etrafındaki malzemelerin oksitleyici kapasitesini artırabilir ve muhtemelen atmosferdeki oksijen dengesini etkileyebilir.

Bu öne sürülen mekanizma, aynı zamanda Dünya’nın jeolojik geçmişindeki ilginç bir uyum açıklayabilir.

Araştırmacılar, bu eski volkanik sistemlerden salınan oksijenin atmosfer bileşimindeki değişimlere katkıda bulunmuş olabileceğini öne sürüyor.

İlk hesaplamaları, sürecin potansiyel olarak devasa ölçeğini ortaya koyuyor. Magma, bu dönemde püskürtülürken ağırlığının yalnızca 0,27%’sine eşit fazla oksijen salırsa, toplam miktarın teorik olarak bugün Dünya’nın atmosferinde bulunan tüm oksijene eşit olabileceğini tahmin ediyorlar.

Bu, volkanik etkinliğin aslında atmosfer o kadar çok oksijen sağladığını kanıtlamıyor. Bunun yerine, devasa miktarlarda magmadan gelen nispeten küçük bir oksijen salınımının bile büyük gezegesel sonuçlar doğurabileceğini gösteriyor.

Dünya’nın Evrimi ve Yaşanabilir Gezegenler İçin Yeni Bir İpucu

Bulgular, gezegen biliminin birkaç önemli alanında etki yaratabilir.

Birincisi, bilim insanlarının Dünya ve diğer kayalık gezegenlerin erken evrim döneminde var olmuş olabileceğine inanılan, devasa magma okyanuslarını anlam biçimlerini değiştirebilir.

Aynı zamanda, volkanik gaz çıkışı olarak adlandırılan ve gazların ile diğer uçucu maddelerin magmadan ayrılıp gezegenin atmosferiyle etkileşime girmesi sürecine olası yeni bir etken ekler.

Magma, oksijeni diğer kimyasal bileşenlerinden bağımsız olarak depolayabiliyor ve salabiliyorsa, Dünya’nın atmosferik gelişimini modelleyen çalışmalar, daha önce göz ardı edilen bu süreci hesaba katmak zorunda kalabilir.

Sonuçlar, Dünya’nın ötesine de uzanabilir. Oksijenin kayalık gezegenlerin iç kısımları ile atmosferleri arasındaki hareketinin anlaşılması, araştırmacılara milyarlarca yıl boyunca gelişip sürebilecek potansiyel yaşanabilir ortamların oluşum koşullarını araştırmada yardımcı olabilir.

Doğal magmaların ne kadar oksijen taşıdığı ve atmosferin ne kadarına ulaştığı konusunda daha fazla araştırmaya ihtiyaç olsa da, bu keşif şaşırtıcı bir olasılığa işaret ediyor: Dünya’nın oksijen açısından zengin ortamını şekillendiren süreçlerden bazıları, gezegenin yüzeyinin çok altında, derinlerde başlamış olabilir.