Dünya’nın derinliklerinde gerçekleşen süreçlerin atmosferin oluşumunda nasıl bir rol oynadığına ilişkin dikkat çekici bir keşif yapıldı.
Yeni bir araştırma, erimiş kayaçların (magmanın) yüksek basınç altında, mevcut kimyasal hesaplamaların öngördüğünden daha fazla oksijen tutabildiğini ortaya koydu. Bu bulgu, derinlerde depolanan oksijenin magma yüzeye doğru yükselirken serbest kalabileceği ve milyarlarca yıl önce atmosferdeki oksijen seviyelerinin yükselmesine katkı sağlamış olabileceği ihtimalini gündeme getirdi.
National Science Review dergisinde yayımlanan çalışma, Dünya’nın iç yapısı ile atmosferinin evrimi arasındaki ilişkiye dair yeni bir bakış açısı sundu.
Dünya’nın silikat bakımından zengin iç katmanlarında oksijen, atomların yarısından fazlasını oluşturuyor. Ancak bu durum, oksijenin tamamının serbest halde bulunduğu veya doğrudan atmosfere geçebileceği anlamına gelmiyor.
Oksijenin büyük bölümü diğer elementlerle kimyasal bağlar kurmuş durumda.
Bilim insanları bugüne kadar magmanın içerdiği oksijen miktarını hesaplarken silikon, magnezyum ve demir gibi elementlerin miktarını ve elektriksel yük durumlarını temel alıyordu. Ancak erimiş kayaçların, su ve karbondioksit gibi, bu hesaplamaların ötesinde ek oksijeni bağımsız bir bileşen olarak bünyesinde tutup tutamayacağı yeterince araştırılmamıştı.
Yeni çalışma, bu soruya yanıt arayarak magmanın yüksek basınç altında fazladan oksijen alabileceğini gösterdi.
Araştırma, Yüksek Basınç Bilimi ve Teknolojisi İleri Araştırma Merkezi'nden (HPSTAR) Dr. Yanhao Lin ve Dr. Ho-kwang Mao liderliğinde yürütüldü. Çalışmaya ayrıca Northwestern Polytechnical University'den Prof. Haiyang Niu ve Vrije Universiteit Amsterdam'dan Prof. Wim van Westrenen katkı sağladı.
Araştırmacılar, magmanın ek oksijen alıp alamadığını test etmek için laboratuvarda sentetik bazalt örnekleri hazırladı. Oksijence zengin bir ortam oluşturmak amacıyla örneklere platin oksit (PtO₂) eklendi.
Deneylerde okyanus tabanlarında görülen bazalt türünü temsil eden örnekler, 1.200 ila 1.800 derece Celsius sıcaklıklarda ve atmosfer basıncından 7 gigapaskala kadar değişen basınçlarda eritildi. En yüksek basınç, yaklaşık 1 milyon psi seviyesine karşılık geliyor.
Araştırmacılar, aynı sıcaklık ve basınç koşullarında platin oksit kullanılmayan kontrol deneyleri de gerçekleştirdi. Böylece magmanın bünyesinde tuttuğu ek oksijen miktarını karşılaştırma yoluyla belirlemeye çalıştı.
Deneylerin ardından erimiş kayaç örnekleri hızla soğutularak cama benzer bir yapıya dönüştürüldü.
Araştırmacılar, örneklerdeki toplam oksijeni ölçtükten sonra diğer elementlerle kimyasal dengeyi sağlamak için gereken oksijeni ve su ile karbondioksit içinde bulunan oksijeni hesaplamadan çıkardı.
Sonuçlar, basıncın magmanın oksijen tutma kapasitesini önemli ölçüde etkileyebildiğini gösterdi. Platin oksit eklenen örneklerde, normal atmosfer basıncında fazla oksijen miktarı sıfıra yakınken 7 gigapaskal basınçta örneğin ağırlığının yüzde 5'ini aştı.
Platin oksit eklenmeyen kontrol örneklerinde ise fazla oksijen oranı ağırlıkça yalnızca yüzde 0,2 ile yüzde 0,5 arasında kaldı.
Araştırmacılar, örneklerin hızla soğutulması sırasında oksijenin bir kısmının kaybolmuş olabileceğine dikkat çekti.
Bu nedenle ölçülen miktarların, magmanın erimiş haldeyken tuttuğu gerçek oksijen miktarını olduğundan düşük yansıtması mümkün.
Bilim insanları, fazladan oksijenin camlaşmış örneklerin içinde gerçekten çözünüp çözünmediğini veya yalnızca gaz kabarcıklarında mı hapsolduğunu da araştırdı.
Bu amaçla kullanılan Raman spektroskopisi, örneklerde moleküler oksijen gazına ait bir işaret tespit etmedi.
Bulgular, ek oksijenin gaz kabarcıkları halinde kalmak yerine malzemenin atomik yapısına dahil olduğunu gösterdi.
Araştırma ekibi, oksijenin bu yapıya nasıl yerleştiğini anlamak için bilgisayar simülasyonlarından da yararlandı.
Derin sinir ağı tabanlı atomlar arası etkileşim modelleriyle yürütülen hesaplamalar, oksijenin erimiş kayaç içine girdiğini ve sistem dengeye ulaşana kadar çözünmeye devam ettiğini ortaya koydu.
Simülasyonlarda, oksijen atomlarının elektriksel yüklerinin daha geniş bir dağılım gösterdiği ve az sayıda oksijen atomunun peroksite benzer bağlar oluşturduğu görüldü. Bu değişimler, magmanın alışılmış kimyasal hesaplamaların ötesinde oksijeni nasıl barındırabildiğine ilişkin ipuçları sundu.
Modellemelerde bazalt deneylerinden daha düşük oksijen miktarları elde edilse de basınç arttıkça oksijen alımının yükselmesi yönündeki eğilim aynı kaldı.
Araştırmanın en dikkat çekici yönlerinden biri, Dünya atmosferindeki oksijenin geçmişte nasıl arttığına ilişkin yeni bir olasılık sunması.
Bilim insanlarına göre, Dünya'nın mantosunun oksitleyici koşulların bulunduğu bölgelerinde oluşan magma, derinlerdeki yüksek basınç sayesinde fazla oksijen depolayabilir. Magma yüzeye doğru yükseldikçe basınç azalır ve erimiş kayaçların oksijeni tutma kapasitesi düşebilir. Bunun sonucunda oksijen açığa çıkarak üst manto, yer kabuğu ve atmosferdeki kimyasal tepkimelere katılabilir.
Bu mekanizma, derin Dünya'nın oksitleyici gücünün yüzeye taşınmasına yardımcı olmuş olabilir.
Araştırmacılar ayrıca atmosferdeki oksijen miktarının yaklaşık 2,5 ila 2 milyar yıl önce önemli ölçüde arttığı dönem ile devasa volkanik kayaç oluşumlarının görüldüğü dönem arasında dikkat çekici bir zaman örtüşmesi bulunduğuna işaret etti.
Büyük magmatik bölgeler olarak bilinen bu oluşumlar, geniş alanlara yayılan yoğun volkanik faaliyetler sonucunda meydana geliyor.
Çalışmada yapılan yaklaşık hesaplamalara göre, söz konusu dönemde püsküren magmanın ağırlığının yalnızca yüzde 0,27'si kadar fazla oksijen salması bile günümüz atmosferinde bulunan toplam oksijen miktarına eşdeğer bir katkı sağlayabilirdi.
Ancak bu hesaplama, önerilen mekanizmanın olası etkisini ortaya koyan bir tahmin niteliğinde. Magmanın Dünya atmosferinin oksijenlenmesindeki gerçek payını belirlemek için ek araştırmalara ihtiyaç var.
Araştırmacılar, oksijenin silikat eriyikleri içinde bağımsız bir bileşen olarak değerlendirilmesinin Dünya'nın erken dönemlerine ilişkin modelleri değiştirebileceğini belirtti.
Bu yaklaşım, magma okyanuslarının evrimi, volkanik faaliyetlerle gaz salınımı ve gezegen atmosferlerinin gelişimi konularında yeni hesaplamaların önünü açabilir.
Çalışma aynı zamanda Dünya dışındaki kayalık gezegenlerin atmosferlerinin nasıl oluştuğunu ve bu gezegenlerin yaşama elverişli koşulları ne ölçüde geliştirebileceğini anlamak açısından da önem taşıyor.
Bulgular, Dünya'nın atmosferindeki oksijenin tarihinin yalnızca yüzeydeki biyolojik süreçlerle değil, gezegenin derinliklerindeki jeolojik olaylarla da bağlantılı olabileceğini gösterdi.
Bununla birlikte araştırma, magmanın geçmişte atmosfere kesin olarak ne kadar oksijen sağladığını kanıtlamıyor; bu olasılığı destekleyen yeni bir mekanizma ortaya koyuyor.