Sub presiune: influenţa mantalei terestre asupra climatului Understand article

Tradus de Mircea Băduţ. Studiile asupra oxizilor de fier în condiţii extreme revelează aspecte ale interiorului Terrei şi ale rolului acestuia în clima planetei.

Clima Pământului este afectată de gazele din atmosferă, precum dioxidul de carbon, vaporii de apă și gazul metan. Mult mai puțin evident este efectul pe care îl au rocile aflate adânc sub scoarţă. Însă aceasta nu este o surpriză: măsurătorile directe ale interiorului Pământului sunt foarte dificile, precum este şi reproducea experimentală a condițiilor de presiune și temperatură care se găsesc acolo. Cu toate acestea, o echipă internaţională de oameni de ştiinţă a reconstruit recent comportamentul oxizilor de fier din interiorul mantelei Pământului cu ajutorul echipamentelor evoluate de la ESRF (Instalaţia europeană de studiere a radiaţiilor prin sincrotron)^w1 din Grenoble, Franța (Bykova et al, 2016). Cu ajutorul acestor informații, cercetatorii încep să înţeleagă rolul acestor compuși chimici în climatul nostru.

Oxizii de fier din natură se găsesc în multe şi diverse forme. „Cel mai comun oxid de fier este hematitul, Fe₂O₃, care este produsul final al multor procese geologice și care constituie principala sursă de fier pentru civilizația noastră”, explică Elena Bykova, membră a echipei de la Universitatea din Bayreuth, Germania. În ultimii ani, oamenii de știință au descoperit şi alți oxizi de fier care se formează la presiuni şi temperaturi ridicate, precum Fe₄O₅, Fe₅O₆ și Fe₁₃O₁₉.

Studiile anterioare de geochimie s-au concentrat asupra hematitului, deoarece, în ciuda compoziției sale chimice simple, el suferă modificări structurale și electronice misterioase la presiuni şi temperaturi ridicate. Totuşi, până recent astfel de investigații au esuat în a oferi o imagine coerentă a comportamentului acestui material la înaltă presiune.

Elena şi colegii ei au folosit ceea ce este cunoscut sub numele de ‘celulă nicovală pentru diamant’ (figura 1) pentru a aplica o presiune de peste 67 GPa asupra unui eşantion de hematit şi pentru a-l încălzi la peste 2400°C. Folosind difracția cu raze X, oamenii de știință au arătat că în aceste condiții, care corespund celor aflate la 1500 km sub suprafața Pământului, hematitul se descompune și formează, prin eliberarea de oxigen în reacţie, un oxid de fier necunoscut anterior, Fe₅O₇, astfel:

10 Fe₂O₃ → 4 Fe₅O₇ + O₂↑

Experimentele de înaltă presiune cu un alt oxid de fier care apare în mod natural, Fe₃O₄, au demonstrat că şi acesta se descompune când este încălzit şi supus la o presiune de peste 70 GPa (conform condițiilor aflate la adâncimea de aproximativ 1670 km), formând Fe₂₅O₃₂ și eliberând oxigen:

25 Fe₃O₄ → 3 Fe₂₅O₃₂ + 2 O₂↑

Aceste rezultate au implicaţii importante nu doar pentru chimia fundamentală de înaltă presiune, ci şi pentru geologie. Una din principalele noastre surse de fier constă din uriașe filoane de rocă sedimentare cunoscute sub numele de formațiuni feroase în benzi (BIF), care sunt constituite din până la 50% hematit și din magnetită (Fe₃O₄). Astfel de minereuri se găsesc pe toate continentele și ele pot avea grosimi de sute de metri şi întinderi de sute de kilometri. Depuși pe fundul oceanului în urmă cu aproximativ două miliarde de ani (10⁹), compuşii feroşi au fost împinşi în jos de către mișcarea plăcilor tectonice până la adâncimi de până la 2880 km, la limita dintre miez şi manta. Rezultatele studiului Elenei şi al colegilor ei sugerează că în timpul acestui proces de subducție hematitul și magnetitul din BIF s-au descompus, producând oxigen (figura 2).

Cantitățile de oxigen implicate sunt uriașe: pe baza ratei estimate de subducţie a formaţiunilor feroase, descompunerea hematitului singur ar fi putut produce de 8 până la 10 ori mai mult oxigen decât se află astăzi în atmosferă. În condițiile existente în mantaua inferioară a Pământului, Elena şi colegii ei cred că acest oxigen ar exista în stare lichefiată. Ei sugereaza că, în timp, acest lucru a format un enorm – și până acum ne-mai-imaginat – rezervor de oxigen lichid în adâncul Pământului.

Această idee fascinantă înseamnă şi că cercetătorii vor trebui să-și reconsidere în mod substanțial ideile despre procesele geochimice din interiorul Pământului. În prezența unei cantităţi de oxigen atât de mari, stările de oxidare ale elementelor din manta inferioară – și, prin urmare, şi reacțiile chimice dintre ele – ar fi foarte diferite de cele imaginate de oamenii de știință. Mai mult, după cum pare că se mișcă, fluidul bogat în oxigen transportă şi alți compuși, determinând multe urme de elemente în interiorul Pământului, şi producând o distribuție chimică foarte diferită de cea presupusă până acum. Potrivit lui Leonid Dubrovinski, liderul grupului care a efectuat acest studiu, „sunt discutate pe larg efectele dioxidului de carbon, ale apei și ale altor gaze cu efect de seră asupra atmosferei, însă contribuțiile proceselor geochimice profunde asupra compoziției atmosferice au primit puțină atenţie până acum. Toate modelele planetare privind trecutul și viitorul Pământului, inclusiv modelul evoluției climei, vor trebui să ia în considerare aceste noi descoperiri.”

References

• Bykova E et al (2016) Structural complexity of simple Fe₂O₃ at high pressures and temperatures (Complexitatea structurală a banalului Fe₂O₃ la presiuni şi temperaturi înalte).Nature Communications 7: 10661. doi: 10.1038/NCOMMS10661

Web References

• w1 – Instalaţia europeană de radiaţie în sincrotron (ESRF) este una dintre cele mai intense surse de raze X din lume. Mii de cercetători vin în fiecare an la ESRF pentru a derula experimente în ştiinţa materialelor, biologie, medicină, fizică, chimie, ecologie şi chiar în paleontologie şi antropologie.
  • ESRF este membru al EIROforum^w2, editorul revistei Science in School.
• w2 – EIROforum este un consorţiu format de opt dintre cele mai mari organizaţii europene de cercetare ştiinţifică inter-guvernamentală, organizaţii care îşi pun la dispoziţie resursele, facilităţile şi experienţa pentru a sprijini dezvoltarea ştiinţei europene. Ca parte a activităţilor sale de educaţie şi de popularizare, EIROforum publică revista Science in School.

Resources

• Pentru a afla mai multe despre tehnica difracţiei cu raze X, vedeţi:
  • Haddow M (2012) The new definition of crystals – or how to win a Nobel Prize. Science in School 24: 59-64.
  • Cornuéjols D (2009) Cristalele biologice: la interfaţa dintre fizică, chimie şi biologie. Science in School 11: 70-76.

Institutions

Author(s)

Montserrat Capellas este comunicator de ştiinţă senior la Instalaţia europeană de radiaţie în sincrotron (ESRF) din Grenoble, Franţa.

Review

Acest articol descrie modul în care, în condiții de temperatură și presiune similare celor din adâncul Pământului, se formează oxizi de fier necunoscuţi până acum. Formarea acestor compuși, identificaţi cu ajutorul unui echipament de vârf, eliberează oxigen – o descoperire ce are implicaţii semnificative pentru modelele anterioare privind interiorul Pământului și clima terestră.

Articolul poate fi folosit ca parte a unei lecţii despre structura interioară a Pământului, sau despre evoluţia climei. Întrebări potrivite pentru înţelegerea şi aprofundarea aspectelor:

• Care sunt diferenţele dintre oxizii de fier menţionaţi în articol?
• Explicaţi de ce şi cum temperatura şi presiunea pot afecta structura cristalină.
• Descrieţi procesul subducţiei.
• Ce informaţii putem obţine prin difracţia cu raze X?

Monica Menesini, Liceul A Vallisneri, Lucca, Italia

License

CC-BY

Download

Download this article as a PDF