Yüksek basınç deneyleri ve gelişmiş bilgisayar simülasyonları yoluyla araştırmacılar, magmanın kimyasal bileşiminin normalde gerektirdiğinden daha fazla oksijen emebildiğini keşfettiler. Bu gizli oksijen, Dünya’nın derin iç yapısı, volkanik aktivite ve oksijen açısından zengin bir atmosferin gelişimi arasında daha önce bilinmeyen bir bağlantı sağlayabilir.

Araştırma, Yüksek Basınç Bilimi ve Teknolojisi İleri Araştırma Merkezi’nden (HPSTAR) Dr. Yanhao Lin ve Dr. Ho-kwang Mao liderliğinde, Northwestern Polytechnical University’den Prof. Haiyang Niu ve Vrije Universiteit Amsterdam’dan Prof. Wim van Westrenen ile birlikte yürütüldü. Bulguları National Science Review’da yayınlandı.

Bilim insanları magma hakkındaki uzun süredir devam eden bir varsayımı sorguluyor.

Oksijen, Dünya’nın içindeki en bol elementlerden biridir ve gezegenin silikat iç yapısındaki atomların yarısından fazlasını oluşturur. Silikatlar, esas olarak silikon ve oksijenin yanı sıra diğer elementlerden oluşan mineraller ve erimiş malzemelerdir. Dünya’nın manto ve kabuğunun büyük bir bölümünü oluştururlar.

Oksijenin bol miktarda bulunmasına rağmen, bilim insanları geleneksel olarak magmanın yalnızca belirli bir miktarda oksijen içerebileceğini varsaymışlardır. Bu anlayışa göre, oksijen içeriği, erimiş kayadaki silikon, magnezyum ve demir de dahil olmak üzere diğer elementlerin miktarları ve elektriksel yük durumları tarafından belirlenir.

Su ve karbondioksit farklı davranır. Her ikisi de magmada çözünebilir ve çevredeki basınç azaldığında gaz olarak dışarı çıkabilir. Bu maddeler uçucu bileşenler olarak bilinir ve salınımları volkanik aktivitede önemli bir rol oynar.

Ancak oksijen, genellikle magmanın emebileceği ve salabileceği ayrı bir uçucu madde olarak ele alınmamıştır. Erimiş silikat kayanın, normal kimyasal bileşiminden bağımsız olarak ek oksijen tutabileceği konusu büyük ölçüde araştırılmamıştır.

Yeni araştırmalar bu varsayımın değişmesi gerekebileceğini öne sürüyor.

Aşırı Basınç Erimiş Kayada Gizli Oksijeni Ortaya Çıkarıyor

Araştırmak için bilim insanları, olağanüstü basınç ve sıcaklıklar üretebilen laboratuvar ekipmanlarını kullanarak Dünya’nın derinliklerinde bulunan koşulları yeniden yarattılar.

Okyanusların altında tektonik plakaların birbirinden uzaklaştığı yerlerde yaygın olarak oluşan bir volkanik kaya türü olan orta okyanus sırtı bazaltının sentetik bir versiyonunu ısıttılar. Örnekler, normal atmosfer basıncından 7 gigapaskala kadar değişen basınçlara ve 1200 ile 1800 °C arasındaki sıcaklıklara maruz bırakıldı.

7 gigapaskal basınç, Dünya yüzeyindeki atmosfer basıncının yaklaşık 69.000 katıdır.

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

Deneylerden sonra araştırmacılar erimiş malzemeyi hızla soğutarak, erimiş malzemenin önemli özelliklerini koruyan bir cam elde ettiler. Ardından elementel bileşimini analiz ettiler ve içerdiği su ve karbondioksit miktarlarını ölçtüler.

Bilim insanları, diğer elementleri dengelemek için ne kadar oksijene ihtiyaç duyulduğunu, ayrıca su ve karbondioksitte zaten bulunan oksijeni de hesaplayarak, geriye ne kadar oksijenin kaldığını tahmin edebildiler.

Bu ilave miktara “fazla oksijen” adını verdiler.

Sonuçlar, basınç ve oksijen depolaması arasında çarpıcı bir ilişki olduğunu ortaya koydu.

Normal atmosfer basıncında, cam neredeyse hiç fazla oksijen içermiyordu. Ancak 7 gigapaskal basınçta, fazla oksijen numunenin ağırlığının %5’inden fazlasını oluşturuyordu.

Karşılaştırma amacıyla, platin oksit ilavesi olmadan benzer basınç ve sıcaklıklarda yapılan deneylerde, ağırlıkça yalnızca %0,2 ila %0,5 oranında fazla oksijen konsantrasyonu elde edilmiştir.

Araştırmacılar ayrıca ilave oksijenin gerçekten malzemenin içine dahil edilip edilmediğini veya sadece küçük gaz kabarcıkları olarak hapsolup hapsolmadığını da belirlemek istediler.

Maddelerin ışıkla etkileşimini inceleyerek onları tanımlayan bir teknik olan Raman spektroskopisi kullanarak, camda tespit edilebilir bir oksijen gazı izine rastlamadılar. Bu, fazla oksijenin kabarcıklar halinde birikmek yerine cam yapısının bir parçası haline geldiğini gösterdi.

Ölçülen konsantrasyonlar, magmanın gerçek oksijen depolama kapasitesini bile olduğundan düşük gösterebilir. Erimiş numuneler soğurken bir miktar oksijen kaçmış olabilir; bu da orijinal eriyiklerin daha da fazla miktarda oksijen içermiş olabileceği anlamına gelir.

Bilgisayar simülasyonları, magmanın fazladan oksijeni nasıl depoladığını ortaya koyuyor.

Profesör Niu, keşfi atomik düzeyde daha iyi anlamak için bir dizi teorik bilgisayar simülasyonuna öncülük etti.

Araştırmacılar, atomlar arasındaki etkileşimleri, kuantum mekaniğinin temel prensiplerini kullanarak atomik davranışı tanımlayan ab initio hesaplamalarına yaklaşan bir doğrulukla simüle etmek için derin sinir ağı (DNN) modelleri kullandılar.

Simülasyonlar, sistem denge durumuna ulaşana kadar, yani eriyik içine giren ve çıkan oksijen miktarı dengelenene kadar, ilave oksijenin erimiş malzemeye çözünebileceğini gösterdi.

Bilgisayar modelleri yalnızca magnezyum, silikon ve oksijen içeren basitleştirilmiş bir sistem kullansa da, laboratuvarda gözlemlenen genel deseni aynı şekilde yeniden üretti: magmanın fazla oksijen tutma kapasitesi basınçla birlikte arttı.

Simüle edilen oksijen konsantrasyonları, deneysel ölçümlerden daha düşüktü; bilim insanları bunu, basitleştirilmiş model ile gerçek bazaltın daha karmaşık kimyasal bileşimi arasındaki farklılıklara bağladılar.

Hesaplamalar ayrıca, eriyik içerisine daha fazla oksijen girdikçe oksijen atomlarının davranış biçimlerinde meydana gelen değişiklikleri de ortaya koydu. Elektriksel yükleri daha çeşitli hale geldi ve küçük bir kısmı, oksijen atomlarının birbirine bağlandığı peroksit benzeri bağlar oluşturdu.

Bu değişiklikler, erimiş kayanın geleneksel kimyasal modellerin öngördüğü miktarın ötesinde nasıl oksijen barındırabileceğini açıklamaya yardımcı olur.

Daha da önemlisi, basınca bağlı davranış, basınç arttıkça magmada daha çözünür hale gelen su ve karbondioksitin davranışına benzemektedir.

Bu bulgulara dayanarak, araştırmacılar oksijenin diğer elementlerle ilişkili olarak değerlendirilmek yerine, silikat eriyiklerinin bağımsız bir bileşeni olarak kabul edilmesi gerektiğini öne sürüyorlar.

Antik volkanlar Dünya atmosferinin oksijenlenmesine yardımcı olmuş olabilir mi?

Bu keşif, Dünya’nın tarihi hakkında çok daha büyük bir soruyu gündeme getiriyor: Magma, gezegenin iç kısmından yüzeyine önemli miktarda oksijen taşımış olabilir mi?

Araştırmacılar, Dünya’nın manto tabakasının oksitlenmiş bölgelerinde oluşan magmayı içeren olası bir mekanizma öneriyorlar.

Yeraltının derinliklerindeki muazzam basınç altında, bu magma önemli miktarda fazla oksijeni emebilir. Yukarı doğru hareket ettikçe, çevredeki basınç azalır ve erimiş kayanın tutabileceği oksijen miktarı da azalır.

Bu oksijenin bir kısmı daha sonra serbest bırakılabilir ve bu da üst manto, yer kabuğu ve nihayetinde atmosferin oksidasyonunu artıran kimyasal reaksiyonlara katkıda bulunabilir.

Oksidasyon, elektron transferini içeren kimyasal süreçleri ifade eder. Bu bağlamda, magma tarafından taşınan oksijen, çevredeki maddelerin oksitleyici kapasitesini artırabilir ve potansiyel olarak atmosferdeki oksijen dengesini etkileyebilir.

Önerilen bu mekanizma, Dünya’nın jeolojik geçmişindeki ilgi çekici bir tesadüfü açıklamaya da yardımcı olabilir.

Yaklaşık 2,5 milyar ila 2,0 milyar yıl önce arasında, atmosferdeki oksijen seviyelerinde büyük artışlar yaşandı. Bu dönem, Dünya’nın en büyük büyük magmatik bölgelerinden (LIP’ler) bazılarının oluşumuyla örtüşmektedir; bu bölgeler, olağanüstü büyük magma püskürmeleriyle oluşan devasa volkanik kayaç bölgeleridir.

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

Yaptıkları ön hesaplamalar, sürecin potansiyel olarak muazzam ölçeğini vurguluyor. Tahminlerine göre, bu dönemde püsküren magma, ağırlığının sadece %0,27’sine eşit miktarda fazla oksijen salmış olsa bile, toplam miktar teorik olarak bugün Dünya atmosferinde bulunan tüm oksijene denk gelebilir.

Bu, volkanik aktivitenin gerçekten de atmosfere bu kadar çok oksijen sağladığını kanıtlamaz. Bunun yerine, muazzam miktardaki magmadan nispeten küçük bir miktarda oksijen salınımının bile gezegen çapında büyük sonuçlar doğurabileceğini göstermektedir.

Dünya’nın Evrimi ve Yaşanabilir Gezegenler Hakkında Yeni Bir İpucu

Bu bulgular, gezegen biliminin çeşitli önemli alanlarını etkileyebilir.

Birincisi, bu keşifler bilim insanlarının, Dünya’nın ve diğer kayalık gezegenlerin erken evrimi sırasında var olduğuna inanılan geniş erimiş kaya bölgeleri olan antik magma okyanuslarını anlama biçimini değiştirebilir.

Ayrıca, volkanik gaz çıkışı sürecine, yani gazların ve diğer uçucu maddelerin erimiş kayadan kaçarak bir gezegenin atmosferiyle etkileşime girmesine dair olası yeni bir faktör de ortaya koyuyorlar.

Eğer magma, diğer kimyasal bileşenlerinden bağımsız olarak oksijen depolayabiliyor ve salabiliyorsa, Dünya atmosferinin gelişimine dair modellerin bu daha önce göz ardı edilmiş süreci hesaba katması gerekebilir.

Bu durum, Dünya’nın ötesine de uzanabilir. Kayalık gezegenlerin iç kısımları ve atmosferleri arasında oksijenin nasıl hareket ettiğini anlamak, araştırmacıların potansiyel olarak yaşanabilir ortamların milyarlarca yıl boyunca gelişmesine ve varlığını sürdürmesine olanak tanıyan koşulları araştırmalarına yardımcı olabilir.

Doğal magmaların ne kadar oksijen taşıdığı ve ne kadarının atmosfere ulaştığı konusunda daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyulsa da, bu keşif şaşırtıcı bir olasılığa işaret ediyor: Dünya’nın oksijen açısından zengin ortamını şekillendirmeye yardımcı olan bazı süreçler, gezegenin yüzeyinin çok altında başlamış olabilir.