La începuturile sale, Pământul era un infern. O sferă topită, învelită într-un ocean global de lavă, scuipa gaze letale, în timp ce asupra ei plouau roci spațiale în flăcări, venite din resturile violente și haotice ale Sistemului Solar.
Au urmat 4,5 miliarde de ani de zbucium cosmo-geologic, în care lucrurile s-au mai calmat puțin, destul cât să apară oamenii, lemurii și alte forme de viață. Din acel infern a rămas o imagine pe care, sperăm, niciun ochi omenesc n-o va zări vreodată: nucleul nostru de metal topit, care arde la o temperatură aproape la fel de mare ca a suprafeței Soarelui.
Și totuși, nucleul trimite neîncetat mesageri chimici prin straturile Pământului. Printre ei se află și ingrediente venite din spațiu la nașterea planetei, ținute sub cheie vreme de aproximativ o treime din vârsta Universului.
Unul dintre ele e hidrogenul atras din norul uriaș de gaz și praf care a format Soarele. Acest hidrogen continuă să se scurgă din nucleu, iar în manta și în crustă se transformă în apă: nu o apă care fierbe și dă în foc, ci una prinsă în minerale.
Pornind de aici, o echipă de cercetători în geoștiințe de la Universitatea de Știință și Tehnologie a Chinei, din Hefei, a vrut să afle de unde vin diferențele chimice din mantaua profundă. Ar putea fi rămășițe ale cristalizării planetei dintr-un glob de magmă sau dovezi că nucleul și mantaua fac schimb de substanțe chimice încă din timpuri imemoriale. Întrebarea stârnește de secole interesul oamenilor de știință, dar, tehnic vorbind, e veche cât Pământul însuși.
Cel mai ușor atom, urmărit în simulări cuantice
În studiul publicat în revista Science Advances, cercetătorii au folosit simulări bazate pe integrale de drum, îmbunătățite prin învățare automată, ca să exploreze comportamentul cuantic al moleculelor și atomilor. Important e că metoda le-a permis să analizeze cum se deplasează prin interiorul Pământului hidrogenul, un atom care, fiind atât de ușor, are un comportament cuantic aparte.
Așa au putut verifica raportul D/H, adică proporția dintre deuteriu, un izotop mai greu al hidrogenului, și hidrogenul obișnuit. Voiau să vadă dacă hidrogenul mai ușor se strecura în sus prin coloanele de magmă care erup la suprafață.
Prea mult haos ca izotopii să se sorteze
Modelul de cristalizare demonstrează că fracționarea mineral-topitură e destul de slabă, așa că ar produce în mantaua antică o distribuție uniformă a raportului D/H.
„În ansamblu, aceste rezultate indică faptul că cristalizarea oceanului de magmă dă naștere unei mantale primitive cu o compoziție izotopică a hidrogenului în esență omogenă, în ciuda unor variații mari ale presiunii, ale temperaturii și ale ipotezelor modelului”, au constatat cercetătorii.
Tot ei au observat că factorul cel mai important a fost compoziția izotopică inițială a hidrogenului din oceanul de magmă. Alte variabile, inclusiv conținutul inițial de apă (estimat la până la două mase oceanice), au cântărit puțin în rezultat.
Explicația e, la propriu, haosul: condițiile erau prea violente din punct de vedere energetic pentru ca deuteriul și hidrogenul să poată fi sortate cu precizie prin straturile Pământului. Ca termen de comparație, un puzzle se asamblează mult mai ușor într-o călătorie idilică cu trenul decât la bordul unui Super Hornet de la Blue Angels, în timp ce avionul se învârte ca un tirbușon prin stratosferă.
Trei urme chimice care duc spre nucleu
Bazalturile insulelor oceanice (OIB) oferă dovezi ale scurgerilor din nucleul Pământului, pentru că se formează din curenți ascendenți porniți din apropierea limitei dintre nucleu și manta. Aceste lave erup în locuri precum Insula Baffin, din Nunavut, Canada, și Islanda.
Lavele par să aducă și hidrogenul ușor, acumulat din nebuloasa solară din care s-a format Sistemul Solar. Acest hidrogen e o capsulă geochimică a timpului, de dinainte să existe tot ce cunoaștem. Pe măsură ce urcă din nucleu, el îmbogățește mantaua și îi scade raportul D/H.
„Aceste descoperiri sugerează că, chiar dacă au existat cândva rezervoare primordiale în mantaua profundă, este puțin probabil ca semnăturile izotopice ale hidrogenului din mantaua inferioară profundă de astăzi să fie simple vestigii ale diferențierii timpurii”, au conchis cercetătorii. În schimb, au adăugat ei, aceste semnături „reflectă modificări dinamice cauzate de schimbul continuu dintre nucleu și manta de-a lungul evoluției Pământului”.
Hidrogenul nu e însă singura urmă. Dovezile cercetătorilor alcătuiesc un adevărat cocktail chimic cu trei ingrediente, scos din cele mai vechi străfunduri ale lumii noastre: raporturile izotopice ale hidrogenului, heliului și tungstenului, care urmăresc toate scurgerile din nucleu.
În cazul heliului, indiciul vine din diferența dintre izotopi. Heliul-3, mai ușor, este un izotop primordial venit din nebuloasa solară, iar o mare parte din el provine din Big Bang. Heliul-4, mai greu, se produce prin dezintegrare radioactivă în straturile superioare ale Pământului. De aceea, un raport mai mare între heliul-3 și heliul-4 în OIB-uri este o dovadă în plus că și heliul primordial se scurge din nucleul Pământului.
Tungstenul aduce încă un element în vederea rezolvării acestui mister. Acest metal greu a rămas la început închis în nucleu, în timpul cristalizării, pe măsură ce straturile Pământului se separau într-o „ceapă înflorită” planetară. Acum însă, un izotop de tungsten exilat cu mult timp în urmă se lasă purtat de curenții ascendenți. El urmărește materialele din nucleu pe măsură ce acestea sunt regurgitate prin măruntaiele Pământului.
Ce s-a mai descoperit în Univers?
Oamenii de știință ar fi rezolvat, în sfârșit, misterul celor două fețe ale Lunii
Pământul și Marte sunt lumi stâncoase vecine, dar s-au format în moduri diferite
„Tot ce știm despre călătoriile spațiale se va schimba într-un deceniu”: descoperirea revoluționară din domeniul fuziunii care ar putea deschide drumul spre stele
Luna s-ar fi putut forma aproape intactă, la doar câteva ore după ce Theia a lovit Pământul
