برخی از آشناترین اتم‌هایی که در هوای بالای سرمان شناورند، در محاسبات ژئوشیمیایی از درون زمین ناپدید می‌شوند. ژئوشیمی‌دانان سال‌هاست که در جست‌وجوی رد نیتروژن در ساختار زمین هستند، اما همواره با کسری میلیاردها تُن مواجه شده‌اند.
دو فیزیک‌دان سیاره‌ای به نام‌های «شن‌شوان هوانگ» و «تاکو تسوچیا» از دانشگاه Ehime در مطالعه‌ای جدید اعلام کردند که پوسته سنگی زمین، معروف به «زمین سیلیکاتی عمده» (BSE)، تنها حاوی یک تا پنج واحد در میلیون (ppm) نیتروژن است؛ مقداری به‌مراتب کمتر از آنچه شهاب‌سنگ‌ها به زمین منتقل کرده‌اند.
شکاف نیتروژنی زمین
عدم تطابق در نسبت‌های عنصری
این شکاف نیتروژنی همچنین باعث به‌هم‌خوردن نسبت‌های بین کربن، نیتروژن و آرگون شده است؛ مسئله‌ای که زمین را با یک «اثر انگشت شیمیایی فوق کندریتی» باقی می‌گذارد؛ مدلی که با نظریه‌های استاندارد شکل‌گیری سیاره مطابقت ندارد.
این معما فقط یک مسئله تئوریک نیست، بلکه نسبت‌های این عناصر، پارامترهای کلیدی مانند شرایط اکسایش گوشته و فشار جو را کنترل می‌کنند.
نظریه‌های اولیه و تناقض‌ها
مطالعات اولیه یا برخوردهای پرانرژی و از بین رفتن نیتروژن در فضا را مقصر می‌دانستند، یا پیشنهاد می‌کردند که زمین از اجزای اولیه‌ای تشکیل شده که ذاتاً نیتروژن کمی داشته‌اند. اما هیچ‌یک از این فرضیات نمی‌توانستند رابطه تنگاتنگ میان فراوانی کربن و آرگون را توضیح دهند.
راز در هسته فلزی زمین نهفته است
فرضیه‌ای متفاوت
هوانگ و همکارانش این احتمال را مطرح کردند که پاسخ نه در آسمان، بلکه در اعماق فلزی سیاره نهفته است. آن‌ها به نقش تفکیک عناصر در زمان جدایی سنگ مذاب و آهن مایع در فرآیند تفکیک هسته و گوشته پرداختند.
اقیانوس ماگمایی در آزمایشگاه
بازسازی شرایط اولیه زمین
برای آزمودن فرضیه خود، این تیم علمی یک «اقیانوس ماگمایی ابتدایی» را به‌صورت شبیه‌سازی کوانتومی بازسازی کردند؛ اقیانوسی از گدازه که سراسر زمین اولیه را در بر می‌گرفته است.
نمونه‌های مجازی تحت شرایط ۱۳۵ گیگاپاسکال فشار و دمای ۹۰۰۰ درجه فارنهایت قرار گرفتند، یعنی شرایطی مشابه عمق‌هایی بسیار پایین‌تر از گوشته امروزی.
کدهای شبیه‌سازی، مسیر انتخابی هر اتم نیتروژن را در انتخاب بین مذاب سیلیکاتی و آهن مایع دنبال کردند و ضریب تفکیک ریاضی آن را در هر عمق ثبت کردند.
نیتروژن عاشق فلز می‌شود
در فشار ۶۰ گیگاپاسکال، که در اعماق زمین یافت می‌شود، نیتروژن بیش از صد برابر بیشتر تمایل به پیوند با آهن نسبت به سنگ دارد.
«در گرما و فشار شدید یک اقیانوس ماگمایی عمیق، نیتروژن به یک عاشق فلز تبدیل می‌شود.» — شن‌شوان هوانگ
این ترجیح قوی در اعماق شکل‌گیری هسته حتی بیشتر می‌شود، سپس به حالت ثابت می‌رسد و رابطه‌ای خمیده (غیرخطی) با فشار را نشان می‌دهد.
فشار، دلال ازدواج اتم‌ها
حل یک تناقض دیرینه
این خمیدگی، تعارضی را که مدت‌ها در آزمایشگاه‌ها وجود داشت، توضیح می‌دهد. برخی آزمایش‌ها نشان می‌دادند نیتروژن به فلز گرایش دارد، برخی نه. این آزمایش‌ها دقیقاً در نقطه چرخش منحنی انجام شده بودند و هر یک بخشی متفاوت از روند را ثبت کرده‌اند.
تنها یک اقیانوس ماگمایی عمیق می‌تواند نیتروژن کافی را به هسته منتقل کند تا با اندازه‌گیری‌های امروزی گوشته مطابقت داشته باشد. در مقابل، اقیانوس‌های کم‌عمق نیتروژن زیادی باقی می‌گذارند و نسبت‌های فرّار زمین را به‌هم می‌زنند.
محاسبات نشان می‌دهند اقیانوسی با عمق ۶۰ گیگاپاسکال، حدود ۸۰ درصد نیتروژن زمین را پیش از شکل‌گیری اولین پوسته جامد، در هسته محبوس می‌کرده است. این دقیقاً با غلظت باقی‌مانده در گوشته که بین یک تا پنج ppm است، مطابقت دارد.
چرا نیتروژن جذب فلز می‌شود؟
دلایل در مقیاس اتمی
این شبیه‌سازی‌ها رفتارهای پیچیده اتمی را توضیح می‌دهند. فشار بالا پیوندهای نیتروژن با خود و با هیدروژن را می‌شکند و اجازه می‌دهد اتم‌های منفرد نیتروژن در فواصل بین اتم‌های آهن جای گیرند و تقریباً رفتاری خنثی داشته باشند.
اما در مذاب سیلیکاتی، نیتروژن تحت فشار بالا با سیلیکون به‌صورت یون نیترید پیوند برقرار می‌کند و مانند یک بیگانه باردار در شبکه‌ای غنی از اکسیژن رفتار می‌کند. همین تفاوت در حالات شیمیایی، انرژی را به نفع جذب در هسته متمایل می‌سازد.
اضافه‌کردن گوگرد یا سیلیکون به فلز، تمایل نیتروژن به جذب را تقریباً نصف می‌کند، اما حتی آلیاژهای سبک نیز هنوز بیشترین مقدار نیتروژن را به خود جذب می‌کنند. همین ویژگی، هسته را به یک خزانه پایدار برای نیتروژن در طول تاریخ زمین تبدیل کرده است.
کربن و آرگون نیز همراهی می‌کنند
گرایش‌های متفاوت عناصر
کربن تمایل کمتری به فلز دارد. در آزمایشگاه‌ها، ضرایب تفکیک فلز ـ سیلیکات برای کربن از ده‌ها تا هزاران واحد متغیر است، بسته به دما و شرایط اکسایش.
در مقابل، ضریب نیتروژن در همین شرایط به صدها واحد می‌رسد.
آرگون علاقه‌ای به آهن ندارد و ترجیح می‌دهد در مذاب سیلیکاتی یا جو باقی بماند. این سلسله مراتب (نیتروژن > کربن > آرگون) به‌طور طبیعی نسبت آرگون ³⁶ به نیتروژن در جو زمین را افزایش می‌دهد و در عین حال نسبت کربن به نیتروژن در گوشته را نیز بالا می‌برد؛ بدون نیاز به فرض فرآیندهای اتلاف عجیب.
بنابراین این مدل، دو معمای مستقل ژئوشیمیایی را با یک مکانیزم فیزیکی ـ جداسازی عمیق در اقیانوس ماگمایی ضخیم ـ توضیح می‌دهد.
شواهد در شیمی گوشته
نشانه‌هایی از گذشته در سنگ‌های امروزی
بازالت‌های مدرن که در مرزهای میان‌اقیانوسی فوران می‌کنند، همچنان اثرات این رویداد را در خود دارند. نسبت نیتروژن به آرگون آن‌ها نزدیک به مقادیر کندریتی است و نشان می‌دهد که گوشته فوقانی از زمان «هادئن» نیتروژن کمی داشته و آرگون آن در حد متوسط باقی مانده است.
الماس‌هایی که از ریشه‌های کراتونی استخراج می‌شوند، گاه‌گاهی حاوی ذرات ریز نیترید آهن هستند؛ همچون خرده‌نان‌هایی کانی‌شناختی که از انتقال عمیق نیتروژن در اوایل عمر زمین خبر می‌دهند. هر دربرگرفتگی، زمزمه می‌کند که بخشی از نیتروژن واقعاً با فلز به اعماق رفته است.
زمین و سیارات فراخورشیدی
اهمیت نیتروژن برای حیات
نگه‌داشتن فقط بخشی از نیتروژن در گوشته، یک نقطه تعادل شیرین بوده است. اگر نیتروژن زیادی در هسته حبس می‌شد، جو فقیر می‌شد؛ اگر خیلی کم، تعادل کربن و شاید پایداری اقلیم به‌هم می‌خورد.
این یافته، دامنه شرایط داخلی را که می‌توانند به یک سطح زیست‌پذیر منجر شوند، محدودتر می‌کند؛ راهنمایی مفید برای اخترشناسانی که به دنبال زیست‌پذیری سیارات فراخورشیدی هستند.
سیاراتی که سریع تشکیل می‌شوند و جداسازی داخلی عمیقی دارند، احتمالاً باید بعدها نیتروژن را بازیابی کنند تا امکان تشکیل مولکول‌های حیاتی را فراهم کنند.
زمین موفق شد این مسیر باریک را طی کند، اما به‌سختی. درک این روند، به دانشمندان کمک می‌کند تا گذشته سیاره خودمان و همچنین آینده‌ی جهان‌های سنگی دیگر را بهتر بشناسند.
