Υπό πίεση: ο ρόλος του μανδύα της Γης στο κλίμα μας Understand article

Μετάφραση από την Αιμιλία Ξανθοπούλου (Emily Xanthopoulos). Μελέτες των οξειδίων σιδήρου κάτω από ακραίες συνθήκες ρίχνουν φως στο εσωτερικό της Γης και στον ρόλο του στο…

Το κλίμα της Γης επηρεάζεται από τα αέρια που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα, όπως το διοξείδιο του άνθρακα, τους υδρατμούς και το μεθάνιο. Ενώ λιγότερο φανερή είναι η επίδραση των πετρωμάτων που βρίσκονται βαθιά κάτω από την επιφάνεια της Γης. Αυτό δεν αποτελεί έκπληξη: το να πάρεις απευθείας μετρήσεις από το εσωτερικό της Γης είναι δύσκολο, όπως επίσης είναι δύσκολη και η αναπαραγωγή πειραματικά των συνθηκών υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας που βρίσκονται εκεί. Ωστόσο, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων αναπαρήγαγε  πρόσφατα την συμπεριφορά των οξειδίων του σιδήρου μέσα στον μανδύα της Γης χρησιμοποιώντας υπερσύγχρονο εξοπλισμό στις Ευρωπαϊκές Εγκαταστάσεις Ακτινοβολίας  Σύγχροτρον (ESRF)^w1 στην Γκρενόμπλ, Γαλλία (Bykova et al, 2016). Με αυτές τις πληροφορίες οι επιστήμονες αρχίζουν τώρα να καταλαβαίνουν τον ρόλο αυτών των χημικών ενώσεων στο κλίμα μας.

Τα οξείδια του σιδήρου που βρίσκονται στην φύση έχουν πολλές διαφορετικές μορφές. “Το πιο συνηθισμένο οξείδιο σιδήρου είναι ο αιματίτης, Fe₂O₃, που είναι το τελικό προϊόν πολλών γεωλογικών διεργασιών και η κύρια πηγή σιδήρου του πολιτισμού μας,” εξηγεί το μέλος της ομάδας Elena Bykova από το Πανεπιστήμιο του Bayreuth, Γερμανία. Τα τελευταία χρόνια, οι επιστήμονες έχουν ανακαλύψει και άλλα οξείδια του σιδήρου, όπως τα Fe₄O₅, Fe₅O₆ και Fe₁₃O₁₉, που επίσης σχηματίζονται σε υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες.

Προηγούμενες γεωχημικές μελέτες είχαν εστιάσει στον αιματίτη επειδή, παρά την απλή χημική του σύνθεση, υφίσταται μυστηριώδεις δομικές και ηλεκτρονικές αλλαγές σε υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες. Μέχρι πρόσφατα, ωστόσο, πολλές έρευνες απέτυχαν στο να παρέχουν συνεπή εικόνα της συμπεριφοράς αυτού του υλικού σε υψηλή πίεση.

Η Έλενα και οι συνάδελφοι της χρησιμοποίησαν ένα όργανο που είναι γνωστό ως πιεστήριο με διαμαντένια αμόνια (εικόνα 1) για να εφαρμόσουν μια πίεση μεγαλύτερη από 67 Gpa σε ένα δείγμα αιματίτη και να το θερμάνουν σε μια θερμοκρασία μεγαλύτερη από  2400 °C. Χρησιμοποιώντας την περίθλαση ακτίνων-Χ, οι επιστήμονες έδειξαν ότι κάτω από αυτές τις συνθήκες, που αντιστοιχούν σε αυτές που βρίσκονται 1500 χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια της Γης, ο αιματίτης αποσυντίθεται και σχηματίζει το Fe₅O₇, ένα μέχρι πρότινος άγνωστο οξείδιο του σιδήρου, ελευθερώνοντας οξυγόνο κατά την διαδικασία:

10 Fe₂O₃ → 4 Fe₅O₇ + O₂↑

Πειράματα υψηλής πίεσης με ένα άλλο κοινό στην φύση οξείδιο του σιδήρου, το Fe₃O₄, έδειξαν ότι και αυτό επίσης αποσυντίθεται όταν θερμαίνεται σε πιέσεις πάνω από 70 GPa (που αντιπροσωπεύει συνθήκες που επικρατούν στα περίπου 1670 χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια), σχηματίζοντας το Fe₂₅O₃₂ και απελευθερώνει οξυγόνο:

25 Fe₃O₄ → 3 Fe₂₅O₃₂ + 2 O₂↑

Αυτά τα αποτελέσματα έχουν σημαντικές συνέπειες όχι μόνο για την θεμελιώδη υψηλής πίεσης χημεία, αλλά επίσης για την γεωλογία. Μια από τις κύριες πηγές μας για σίδηρο είναι οι τεράστιοι σχηματισμοί ιζηματογενών πετρωμάτων γνωστών και ως κλιμακωτοί (σε στρώσεις) σχηματισμοί σιδήρου (ΚΣΣ), που αποτελούνται μέχρι 50 % από αιματίτη όπως επίσης και από μαγνητίτη (Fe₃O₄). Οι ΚΣΣ βρίσκονται σε όλες τις ηπείρους και μπορούν να έχουν πάχος αρκετές εκατοντάδες μέτρα και μήκος εκατοντάδες χιλιόμετρα. Εναποθετημένοι στον βυθό του ωκεανού περίπου πριν από δύο δισεκατομμύρια (10⁹) χρόνια, έχουν από τότε εξαναγκαστεί να πάνε πιο κάτω μέσω τεκτονικών μετακινήσεων σε βάθη ως 2280 χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια της Γης, στο σύνορο του πυρήνα-μανδύα. Τα αποτελέσματα της μελέτης της  Έλενας και των συναδέλφων της προτείνουν ότι κατά την διάρκεια αυτής της διαδικασίας καταβύθισης ο αιματίτης και ο μαγνητίτης στους ΚΣΣ αποσυντέθηκαν, παράγοντας οξυγόνο (εικόνα 2).

Οι ποσότητες του οξυγόνου που εμπλέκονται είναι τεράστιες: με βάση τον εκτιμώμενο ρυθμό με τον οποίο οι ΚΣΣ καταβυθίζονται, η αποσύνθεση μόνο του αιματίτη σε αυτό τον χρόνο θα μπορούσε να παράγει 8 με 10 φορές την μάζα του οξυγόνου στην σύγχρονη ατμόσφαιρα. Υπό τις συνθήκες που βρίσκουμε στον κάτω μανδύα της Γης, η Έλενα και οι συνάδελφοι της πιστεύουν ότι αυτό το οξυγόνο θα μπορούσε να υπάρχει σε υγρή μορφή. Προτείνουν ότι με τον πάροδο του χρόνου, αυτό δημιούργησε μια τεράστια – και μέχρι πρότινος αδιανόητη – δεξαμενή υγρού, πλούσιου σε οξυγόνο, βαθιά στο εσωτερικό της Γης.

Αυτή η συναρπαστική ιδέα σημαίνει επίσης ότι οι ερευνητές θα πρέπει να επανεξετάσουν ουσιαστικά τις ιδέες τους σχετικά με τις γεωχημικές διεργασίες στο εσωτερικό της Γης. Με την παρουσία τόσο πολύ οξυγόνου, οι καταστάσεις οξείδωσης των στοιχείων στον κάτω μανδύα – και επομένως οι χημικές αντιδράσεις μεταξύ τους – θα είναι πολύ διαφορετικές από ότι είχαν φανταστεί οι επιστήμονες. Επιπλέον, καθώς κινείται, το πλούσιο σε οξυγόνο υγρό θα μεταφέρει άλλες ενώσεις, συμπεριλαμβανομένων και των πολλών ιχνοστοιχείων που υπάρχουν στο εσωτερικό της Γης, παράγοντας μια πολύ διαφορετική κατανομή από αυτήν που υπέθεταν προηγουμένως. Σύμφωνα με τον Leonid Dubrovinsky, τον αρχηγό της ομάδας που πραγματοποίησε αυτή την μελέτη, “Οι επιδράσεις του διοξειδίου του άνθρακα, του νερού και άλλων αερίων του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα συζητούνται ευρέως, αλλά οι συνεισφορές των βαθιά γεωχημικών διεργασιών στην σύνθεση της ατμόσφαιρας έχουν λάβει μέχρι στιγμής ελάχιστη προσοχή.Τυχόν παγκόσμια μοντέλα του παρελθόντος η του μέλλοντος της Γης, συμπεριλαμβανομένων και μοντέλων για την εξέλιξη του κλίματος μας, θα πρέπει να λάβουν υπόψη τους αυτά τα καινούργια ευρήματα.”

References

• Bykova E et al (2016) Structural complexity of simple Fe₂O₃ at high pressures and temperatures. Nature Communications 7: 10661. doi: 10.1038/NCOMMS10661

Web References

• w1 – Οι Ευρωπαϊκές Εγκαταστάσεις Ακτινοβολίας  Σύγχροτρον (ESRF) είναι από τις πιο έντονες πηγές ακτίνων-Χ στον κόσμο. Χιλιάδες επιστήμονες έρχονται κάθε χρόνο στο ESRF για να διεξάγουν τα πειράματα τους στην επιστήμη των υλικών, την βιολογία, την ιατρική, της φυσική, την χημεία, την περιβαλλοντική επιστήμη και ακόμη και την παλαιοντολογία και την πολιτιστική κληρονομιά.
  • Το ESRF είναι μέλος του EIROforum^w2, του εκδότη του Science in School.
• w2 – Το EIROforum είναι μια συνεργασία ανάμεσα στους οκτώ μεγαλύτερους Ευρωπαϊκούς διακυβερνητικούς οργανισμούς επιστημονικής έρευνας, που ενώνουν τους πόρους, τις εγκαταστάσεις και την εμπειρογνωμοσύνη τους για να στηρίξουν την Ευρωπαϊκή επιστήμη ώστε να   αναπτύξει πλήρως τις δυνατότητες της. Στο γενικότερο πλαίσιο των δραστηριοτήτων εκπαίδευσης και προβολής της επιστήμης, το EIROforum δημοσιεύει το Science in School.

Resources

• Για να μάθετε περισσότερα για την περίθλαση των ακτίνων-Χ, δείτε τα:
  • Haddow M (2012) Ο νέος ορισμός για τους  κρυστάλλους – ή πώς να κερδίσετε ένα βραβείο Νόμπελ. Science in School 24: 59-64.
  • Cornuéjols D (2009) Biological crystals: at the interface between physics, chemistry and biology. Science in School 11: 70-76.

Institutions

Author(s)

Ο Montserrat Capellas είναι ανώτερος επιστήμονας. υπεύθυνος για την μετάδοση της επιστήμης, στις Ευρωπαϊκές Εγκαταστάσεις Ακτινοβολίας  Σύγχροτρον (ESRF) στην Γκρενόμπλ, Γαλλία.

Review

Αυτό το άρθρο περιγράφει πως σχηματίζονται, κάτω από πολύ υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις, όμοιες με τις συνθήκες στο εσωτερικό της Γης, άγνωστα στο παρελθόν οξείδια του σιδήρου. Ο σχηματισμός αυτών των ενώσεων, που ταυτοποιούνται με υπερσύγχρονο εξοπλισμό, απελευθερώνει οξυγόνο – μια ανακάλυψη που έχει σημαντικές συνέπειες για τα μοντέλα του εσωτερικού της Γης και του κλίματος μας.

Το άρθρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως τμήμα ενός μαθήματος για την εσωτερική δομή της Γης, η για την εξέλιξη του κλίματος. Κατάλληλες ερωτήσεις για κατανόηση και επέκταση είναι οι παρακάτω:

• Ποιες είναι οι διαφορές ανάμεσα στα οξείδια του σιδήρου που αναφέρονται στο άρθρο;
• Εξηγήστε γιατί και πως η θερμοκρασία και η πίεση μπορούν να επηρεάσουν την κρυσταλλική δομή.
• Περιγράψτε την διαδικασία της καταβύθισης.
• Τι πληροφορίες μπορούμε να πάρουμε από την περίθλαση των ακτίνων-Χ;

Monica Menesini, Liceo A Vallisneri, Lucca, Ιταλία

License

CC-BY

Download

Download this article as a PDF