Раскрыта загадка пропавшего в недрах Земли азота

История нашей планеты таит немало загадок, и одна из самых интригующих, пожалуй, — куда делся весь азот. В самом деле: атмосфера его полным-полна, а в мантии — странным образом очень мало.

Вернемся на 4,6 миллиарда лет назад. Земля была раскаленным, расплавленным шаром с бурлящим магматическим океаном глубиной более 1000 километров. Тяжелые металлы, такие как железо, опускались, формируя ядро, а более легкие минеральные компоненты поднимались и затвердевали, образуя силикатную мантию.

Процесс разделения ядра и мантии сформировал слоистую структуру нашей планеты. Сортировались в ту пору не только металлы и горные породы — легкие элементы вроде азота, углерода и аргона тоже оказались вовлечены в это действо. То, где они оказались — в ядре, в мантии или улетучились в космос, — определило, как выглядит и функционирует сейчас Земля.

Особенно интересен азот. Хотя сегодня он составляет 78% атмосферы, его общее количество в каменистой мантии Земли поразительно мало — всего 1–5 частей на миллион. Углерод и аргон гораздо более распространены по отношению к азоту, чем в метеоритах, которые, вероятно, доставили эти элементы.

Для объяснения этого парадокса выдвинуто немало гипотез: возможно, азот улетучился в космос, или изначально его было слишком мало. Новую версию предложили в Центре геодинамических исследований Университета Эхимэ в Японии: а что, если большая часть азота была «украдена» ядром Земли?

Для проверки этой идеи ученые воссоздали экстремальные условия раннего магматического океана Земли с помощью суперкомпьютерного моделирования. Своими открытиями они поделились в журнале Earth and Planetary Science Letters.

Исследователи изучили поведение азота ab initio (с лат. — «от начала») — при давлениях до 1,35 миллиона раз выше атмосферного (135 ГПа) и температурах до 5000 К — условиях, которые существовали на глубине тысяч километров в молодой, расплавленной планете, и установили, что «предпочел бы» азот — соединиться с железом ядра или раствориться в мантии.

Оказалось, под воздействием экстремального давления и температуры азот становится «любителем металлов». При 60 ГПа азот в 100 раз более склонен присоединиться к ядру, чем остаться в мантии после ее затвердевания. С ростом давления эта тенденция усиливается, но не линейно, а по кривой. Этот нелинейный эффект доселе не был четко продемонстрирован, что объясняет, почему более ранние эксперименты давали противоречивые результаты.

Моделирование раскрыло микроскопический механизм процесса. В расплавленном силикате магматического океана азот был в форме ионов NH₄⁺ или N³⁻, а рост давления заставил его атомы вести себя как нейтральные, в результате чего они словно провалились между атомами железа.

Исследование оценило также сидерофильность (сродство к железу) других элементов. Выяснилось, что у углерода это свойство выражено меньше, у аргона его нет вообще.

Эта иерархия (азот > углерод > аргон по степени «любви» к ядру) может объяснить две загадки:

• Высокое соотношение C/N в мантии — углерод остался в силикатах, а азот ушел в ядро.
• Высокое соотношение ³⁶Ar/N — аргон, не попавший ни в ядро, ни в мантию, скопился в атмосфере.

Ученые провели и количественную оценку тех бурных, но крайне важных для нашей планеты процессов. Если предположить, что 5–10% своей массы Земля получила из углистых хондритов (метеоритов, близких по составу к ранней Солнечной системе), то при 60 ГПа более 80% азота опустилось бы в ядро, оставив в мантии всего 1–7 ppm — что соответствует наблюдениям. Углерод, менее склонный к уходу, остался бы в мантии, создавая наблюдаемое высокое соотношение C/N. Аргон, отвергнутый и ядром, и мантией, непропорционально сконцентрировался бы в атмосфере, объясняя высокое ³⁶Ar/N.

Это открытие меняет понимание происхождения летучих веществ на Земле. До сих пор ученые спорили, улетучились они или метеориты мало принесли — а оказалось, что азот ушел в ядро, и для этого был необходим очень глубокий магматический океан.

А если так — это объясняет обилие биоэлементов в атмосфере и каменистых слоях. Хотя Земле потребовалось много времени, чтобы стать обитаемой, условия, необходимые для жизни, могли быть заложены на самой заре ее существования. Это открытие напоминает, что история нашей планеты записана не только в камнях и окаменелостях, но и в загадочных предпочтениях атомов под немыслимым давлением.