Rastaljena stijena pod visokim tlakom može zadržati znatno više kisika nego što proizlazi iz uobičajenog izračuna njezina kemijskog sastava. U laboratorijskim pokusima s dodatnim izvorom kisika višak je pri najvećem ispitanom tlaku premašio pet posto mase uzorka. Znanstvenici u tom svojstvu magme vide moguću vezu između Zemljine unutrašnjosti i razvoja atmosfere bogate kisikom.
Tim Yongjianga Xua, Yanhaoa Lina i suradnika opisao je rezultate u radu objavljenom u kolovozu u časopisu National Science Review. Pokusi i računalne simulacije pokazuju da talina može prihvatiti dodatni kisik kao zasebnu kemijsku sastavnicu, a količina koju može zadržati raste s tlakom.
U središtu rada je kisik otopljen u talini. Promjene njegove topljivosti mogle bi utjecati na to koliko ga magma prenosi kroz Zemljine slojeve i kako pritom mijenja kemijske uvjete u okolnim stijenama.
Više kisika nego što nalaže sastav stijene
Kisik je već jedan od najzastupljenijih elemenata u Zemljinoj kori i plaštu. Velikim je dijelom vezan uz silicij, magnezij, željezo i druge elemente u mineralima. Uobičajeni kemijski opis taline zato količinu kisika povezuje s udjelom tih elemenata i njihovim električnim nabojima.
Istraživači su provjerili može li rastaljeni materijal primiti kisik povrh te količine. Zagrijavali su sintetski bazalt nalik onome koji nastaje na srednjooceanskim hrptovima, pri temperaturama od 1200 do 1800 °C. Tlak su mijenjali od atmosferskoga do sedam gigapaskala, približno 69.000 puta većeg od tlaka zraka na površini Zemlje, čime su ispitali i uvjete kakvi vladaju u gornjem plaštu.
U dio uzoraka dodali su platinov oksid (PtO₂) kako bi osigurali okoliš bogat kisikom. Nakon zagrijavanja talinu su naglo ohladili i dobili staklo kojem su izmjerili sastav, uključujući vodu i ugljikov dioksid. Od ukupnog kisika oduzeli su količinu potrebnu za ostale sastavnice; preostali dio označili su kao višak kisika.
Tlak mijenja koliko kisika talina može zadržati
Pri atmosferskom tlaku tog viška gotovo nije bilo. Na sedam gigapaskala, uz dodani izvor kisika, izmjereno je više od pet masenih posto. U usporednim pokusima bez dodatka PtO₂ vrijednosti su bile znatno niže, od 0,2 do 0,5 posto. Kapacitet taline tako ovisi i o tlaku i o kemijskim uvjetima u kojima nastaje.
Ramanovom spektroskopijom, analizom međudjelovanja svjetlosti i uzorka, tim nije pronašao signal plinovitog kisika u staklu. Nalaz upućuje na to da je dodatni kisik postao dio strukture, umjesto da ostane zarobljen u sitnim mjehurićima.
Računalne simulacije u pojednostavljenom sustavu magnezija, silicija i kisika pokazale su isti trend porasta s tlakom. Pritom su se mijenjali električni naboji atoma kisika, a manji dio atoma stvarao je međusobne veze nalik onima u peroksidima. Takve promjene pomažu objasniti kako talina može prihvatiti više kisika nego što predviđa jednostavan kemijski omjer.
Moguća veza s ranom atmosferom
Autori predlažu da bi magma nastala u oksidiranim dijelovima plašta mogla ponijeti dodatni kisik prema površini. Kako se pri usponu tlak smanjuje, talina ga sve teže zadržava. Njegovo oslobađanje i reakcije s okolnim materijalom mogli bi pridonijeti oksidaciji plićega plašta, kore i atmosfere.
Oksidacijske promjene u dubini mogu se pratiti i drugim putem: drevni kristali čuvaju kemijske tragove promjena u Zemljinu plaštu. Novo istraživanje ispituje kako bi sama talina mogla sudjelovati u prijenosu kisika između unutrašnjosti i površine.
Za taj prijenos važan je cijeli put magme, od nastanka u dubini do zadržavanja u magmatskim spremnicima u kori i izlaska kroz vulkane. Autori posebno izdvajaju razdoblje prije približno 2,5 do dvije milijarde godina, kada se porast atmosferskog kisika vremenski preklapao s velikim izljevima magme.
Koliko je kisika tim putem doista stizalo do atmosfere još treba odrediti. Laboratorijski rezultati daju osnovu za takve izračune: pokazuju da se kisik u magmi može ponašati kao dodatna sastavnica čija se topljivost mijenja s tlakom, pa ga treba uključiti u modele razmjene između Zemljine unutrašnjosti i atmosfere.
