بر اساس یک پژوهش جدید، سنگ مذاب در اعماق زمین می‌تواند تحت فشار، اکسیژن بیشتری جذب کند. این یافته احتمال می‌دهد که ماگمای در حال صعود به سطح زمین، اکسیژن ذخیره‌شده را آزاد کند؛ فرایندی که شاید میلیاردها سال پیش در افزایش اکسیژن جو زمین نقش داشته است.
اکسیژن بیش از نیمی از اتم‌های موجود در بخش سیلیکاتی درون زمین را تشکیل می‌دهد، اما فراوانی آن لزوماً به این معنا نیست که می‌تواند به جو راه پیدا کند. بخش زیادی از اکسیژن از نظر شیمیایی به عناصر دیگر پیوند خورده است. زمین‌شناسان معمولاً تصور می‌کردند که مقدار و وضعیت بار الکتریکی عناصری مانند سیلیسیم، منیزیم و آهن تعیین می‌کند ماگما چه مقدار اکسیژن در خود دارد. با شناخت این عناصر می‌توان مقدار اکسیژن موردنیاز برای متعادل‌کردن واکنش‌های شیمیایی را محاسبه کرد.
با این حال، این موضوع که آیا سنگ مذاب می‌تواند اکسیژن اضافی را به‌عنوان یک جزء فرار مستقل جذب کند، همان‌طور که آب و دی‌اکسید کربن را در خود حل می‌کند، تا حد زیادی بررسی نشده بود.
این پژوهش در نشریه National Science Review منتشر شده است. دکتر یانهاو لین (Yanhao Lin) و دکتر هو-کوانگ مائو (Ho-kwang Mao) از مرکز پژوهش‌های پیشرفته علم و فناوری فشار بالا (HPSTAR) هدایت آن را بر عهده داشتند. پروفسور های یانگ نیو (Haiyang Niu) از دانشگاه پلی‌تکنیک شمال‌غربی و پروفسور ویم فن وسترنن (Wim van Westrenen) از دانشگاه آزاد آمستردام نیز در این تحقیق مشارکت کردند.
فشار، جذب اکسیژن توسط ماگما را افزایش می‌دهد
برای بررسی این موضوع که آیا ماگما می‌تواند بیش از مقدار محاسبه‌شده اکسیژن جذب کند، پژوهشگران باید منبع اکسیژن اضافی در اختیار آن قرار می‌دادند. آن‌ها برای ایجاد محیطی غنی از اکسیژن، اکسید پلاتین (PtO₂) را به بازالت مصنوعی پشته میان‌اقیانوسی اضافه کردند؛ ماده‌ای آزمایشگاهی که نمونه‌ای از سنگ‌های آتشفشانی بستر اقیانوس است.
پژوهشگران با استفاده از دستگاه‌های فشرده‌سازی پیستونی-سیلندری و مکعبی، بازالت را در دمای ۱۲۰۰ تا ۱۸۰۰ درجه سانتی‌گراد و تحت فشارهایی از یک اتمسفر تا ۷ گیگاپاسکال ذوب کردند. فشار در بالاترین سطح آزمایش تقریباً معادل یک میلیون پوند بر اینچ مربع بود.
این تیم پژوهشی آزمایش‌های دیگری را نیز در همان دماها و فشارها، اما بدون افزودن اکسید پلاتین، انجام داد. مقایسه این دو گروه آزمایش مشخص می‌کرد که آیا فراهم‌کردن اکسیژن اضافی، میزان اکسیژن باقی‌مانده در سنگ مذاب را تغییر می‌دهد یا خیر.
پس از سردکردن سریع نمونه‌ها و تبدیل آن‌ها به شیشه، پژوهشگران مقدار اکسیژن باقی‌مانده در هر نمونه را اندازه‌گیری کردند. البته تمام این اکسیژن اضافی محسوب نمی‌شد؛ بخشی از آن برای متعادل‌کردن ترکیب شیمیایی عناصر دیگر لازم بود و بخشی نیز در آب و دی‌اکسید کربن وجود داشت.
تیم تحقیق با اندازه‌گیری ترکیب عنصری شیشه و مقدار آب و دی‌اکسید کربن موجود در آن، این مقادیر را از کل اکسیژن کم کرد. مقدار باقی‌مانده با عنوان «اکسیژن اضافی» شناخته شد.
در نمونه‌های حاوی اکسید پلاتین، اکسیژن اضافی در فشار یک اتمسفر تقریباً صفر بود، اما در فشار ۷ گیگاپاسکال از ۵ درصد وزن نمونه فراتر رفت. در آزمایش‌های کنترلی که اکسید پلاتین نداشتند، مقدار اکسیژن اضافی تنها بین ۰٫۲ تا ۰٫۵ درصد وزن نمونه بود.
بنابراین، به نظر می‌رسد فشار بالا به ماگما کمک می‌کند از اکسیژن اضافی موجود در محیط بهتر استفاده کند. احتمال دارد مقداری از اکسیژن هنگام سردکردن سریع نمونه‌ها از بین رفته باشد؛ در نتیجه، اندازه‌گیری‌ها احتمالاً کمتر از مقدار واقعی اکسیژن موجود در سنگ مذاب را نشان می‌دهند.
اکسیژن به بخشی از ساختار شیشه تبدیل می‌شود
پژوهشگران باید مشخص می‌کردند که آیا اکسیژن واقعاً وارد ساختار ماده شده است یا صرفاً درون حباب‌های گازی به دام افتاده است.
طیف‌سنجی رامان (Raman spectroscopy)، روشی که با بررسی نور پراکنده‌شده، ساختار مواد را مطالعه می‌کند، هیچ نشانه‌ای از وجود گاز اکسیژن در شیشه نشان نداد. این نتیجه بیانگر آن بود که اکسیژن اضافی در ساختار شیشه ادغام شده است.
شبیه‌سازی‌هایی که نیو هدایت کرد، چگونگی جای‌گرفتن این اکسیژن اضافی در ساختار اتمی ماگما را بررسی کردند. پژوهشگران از پتانسیل‌های بین‌اتمی شبکه عصبی عمیق (DNN) استفاده کردند؛ مدل‌های محاسباتی‌ای که برهم‌کنش میان اتم‌ها را توصیف می‌کنند و دقتی مشابه محاسبات آغازین مبتنی بر اصول بنیادی فیزیک دارند.
در این شبیه‌سازی‌ها، اکسیژن وارد سنگ مذاب شد تا زمانی که تعادل برقرار شد؛ یعنی جذب خالص اکسیژن بیشتری صورت نگرفت.
با حل‌شدن اکسیژن بیشتر، بار الکتریکی اتم‌های اکسیژن در گستره وسیع‌تری توزیع شد و بخش کوچکی از این اتم‌ها پیوندهایی مشابه پیوندهای پراکسیدی با یکدیگر تشکیل دادند. این تغییرات سرنخ‌هایی درباره چگونگی پذیرش اکسیژن اضافی در ساختار شیمیایی ماگما فراهم کردند؛ اکسیژنی که مقدار آن از میزان پیش‌بینی‌شده با محاسبات مرسوم بیشتر بود.
شبیه‌سازی‌ها از یک سامانه ساده‌شده متشکل از منیزیم، سیلیسیم و اکسیژن استفاده کردند و مقدار اکسیژن کمتری نسبت به آزمایش‌های بازالت به دست آوردند. بااین‌حال، روند افزایش جذب اکسیژن با بالا رفتن فشار در هر دو روش یکسان بود.
این وابستگی به فشار شباهت زیادی به رفتار آب و دی‌اکسید کربن دارد؛ موادی که در فشارهای بالاتر راحت‌تر در ماگما حل می‌شوند. به همین دلیل، نویسندگان پژوهش پیشنهاد می‌کنند که اکسیژن نیز به‌عنوان یک جزء مستقل در مذاب‌های سیلیکاتی در نظر گرفته شود.
این رویکرد می‌تواند ارزیابی دانشمندان از تکامل اقیانوس‌های ماگمایی، آزادشدن مواد فرار و شکل‌گیری جو سیاره‌ها را تغییر دهد و درک ما از شرایط لازم برای تداوم حیات در دیگر سیاره‌های سنگی را بهبود ببخشد.
آیا ماگما می‌تواند منبع اکسیژن جو زمین بوده باشد؟
درون زمین، ماگمایی که در بخش‌های اکسیدشده گوشته شکل می‌گیرد، ممکن است هنگام قرارداشتن در فشار بالا مقدار قابل‌توجهی اکسیژن اضافی جذب کند. با صعود ماگما به سطح، فشار کاهش می‌یابد و توانایی آن برای نگهداری اکسیژن کمتر می‌شود. در نتیجه، اکسیژن می‌تواند به‌تدریج آزاد شود.
این اکسیژن ممکن است واکنش‌های اکسایش را در بخش‌های کم‌عمق گوشته، پوسته و جو زمین به راه بیندازد. به این ترتیب، ماگما می‌تواند قدرت اکسیدکنندگی را از اعماق زمین به نواحی نزدیک سطح منتقل کند.
پژوهشگران معتقدند این فرایند شاید به توضیح هم‌زمانی دو رویداد در تاریخ زمین کمک کند: افزایش‌های بزرگ اکسیژن جو در حدود ۲٫۵ تا ۲ میلیارد سال پیش و شکل‌گیری برخی از بزرگ‌ترین استان‌های آذرین بزرگ (Large Igneous Provinces یا LIPs).
استان‌های آذرین بزرگ، پهنه‌های عظیمی از سنگ هستند که در اثر فعالیت‌های آتشفشانی گسترده شکل گرفته‌اند.
برآورد تقریبی پژوهشگران نشان می‌دهد که اگر ماگمای فوران‌کرده در آن دوره تنها ۰٫۲۷ درصد از وزن خود را به شکل اکسیژن اضافی آزاد کرده باشد، این مقدار اکسیژن می‌توانسته با کل اکسیژن موجود در جو امروزی زمین برابری کند.
البته این نتیجه به معنای اثبات نقش ماگما به‌عنوان تنها منبع افزایش اکسیژن جو نیست؛ بلکه نشان می‌دهد این سازوکار می‌تواند یکی از فرایندهای مهمی باشد که دانشمندان برای توضیح تغییرات شیمیایی جو زمین در گذشته دور بررسی می‌کنند.
منبع: Scitechdaily
