The Hunt for Earth’s Deep Hidden Oceans
Μερικές εκατοντάδες διαμάντια σε μέγεθος βότσαλου, μαδημένα από βραζιλιάνικη λάσπη, κάθονται μέσα σε ένα χρηματοκιβώτιο στο Πανεπιστήμιο Northwestern. Για κάποιους, μπορεί να είναι άχρηστα. «Έχουν χτυπηθεί», είπε ο Steve Jacobsen, ορυκτολόγος στο Northwestern. «Μοιάζουν σαν να έχουν περάσει από πλυντήριο ρούχων». Πολλά είναι σκούρα ή κίτρινα, μακριά από τα παρθένα πετράδια των ονείρων των κοσμηματοπωλών.
Ωστόσο, για ερευνητές όπως ο Jacobsen, αυτά τα θραύσματα κρυσταλλικού άνθρακα είναι εξίσου πολύτιμα — όχι για το ίδιο το διαμάντι, αλλά για αυτό που είναι κλειδωμένο μέσα:στίγματα ορυκτών σφυρηλατημένα εκατοντάδες χιλιόμετρα κάτω από τη γη, βαθιά στον μανδύα της Γης.
Αυτές οι κηλίδες ορυκτών - μερικές πολύ μικρές για να τις δούμε ακόμη και κάτω από μικροσκόπιο - προσφέρουν μια ματιά στο κατά τα άλλα απρόσιτο εσωτερικό της Γης. Το 2014, οι ερευνητές είδαν κάτι ενσωματωμένο σε αυτά τα ορυκτά που, αν όχι για τη βαθιά του προέλευση, θα ήταν αδιάφορο:το νερό.
Όχι πραγματικές σταγόνες νερού, ή ακόμα και μόρια H2 0, αλλά τα συστατικά του, άτομα υδρογόνου και οξυγόνου ενσωματωμένα στην κρυσταλλική δομή του ίδιου του ορυκτού. Αυτό το ένυδρο ορυκτό δεν είναι υγρό. Αλλά όταν λιώνει, χύνεται νερό. Η ανακάλυψη ήταν η πρώτη άμεση απόδειξη ότι ορυκτά πλούσια σε νερό υπάρχουν τόσο βαθιά, μεταξύ 410 και 660 χιλιομέτρων κάτω, σε μια περιοχή που ονομάζεται ζώνη μετάβασης, που βρίσκεται ανάμεσα στον άνω και τον κάτω μανδύα.
Από τότε, οι επιστήμονες έχουν βρει πιο δελεαστικά στοιχεία για το νερό. Τον Μάρτιο, μια ομάδα ανακοίνωσε ότι ανακάλυψε διαμάντια από τον μανδύα της Γης που έχουν εγκλεισμένο νερό στο εσωτερικό τους. Τα σεισμικά δεδομένα έχουν επίσης χαρτογραφήσει ορυκτά φιλικά προς το νερό σε μεγάλο τμήμα του εσωτερικού της Γης. Ορισμένοι επιστήμονες υποστηρίζουν τώρα ότι μια τεράστια δεξαμενή νερού θα μπορούσε να κρύβεται πολύ κάτω από τα πόδια μας. Αν θεωρήσουμε όλα τα επιφανειακά ύδατα του πλανήτη ως έναν ωκεανό και αποδειχτεί ότι υπάρχουν έστω και λίγοι ωκεανοί κάτω από τη γη, θα άλλαζε το πώς σκέφτονται οι επιστήμονες το εσωτερικό της Γης. Αλλά εγείρει επίσης ένα άλλο ερώτημα:Από πού θα μπορούσαν να προέρχονται όλα αυτά;
Υδάτινος κόσμος
Χωρίς νερό, η ζωή όπως την ξέρουμε δεν θα υπήρχε. Ούτε ο ζωντανός, δυναμικός πλανήτης που γνωρίζουμε σήμερα. Το νερό παίζει αναπόσπαστο ρόλο στην τεκτονική των πλακών, ενεργοποιώντας τα ηφαίστεια και βοηθώντας μέρη του άνω μανδύα να ρέουν πιο ελεύθερα. Ακόμα, το μεγαλύτερο μέρος του μανδύα είναι σχετικά ξηρό. Ο άνω μανδύας, για παράδειγμα, αποτελείται κυρίως από ένα ορυκτό που ονομάζεται ολιβίνη, το οποίο δεν μπορεί να αποθηκεύσει πολύ νερό.
Αλλά κάτω από 410 χιλιόμετρα, στη ζώνη μετάβασης, οι υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις συμπιέζουν την ολιβίνη σε μια νέα κρυσταλλική διαμόρφωση που ονομάζεται wadsleyite. Το 1987, ο Joe Smyth, ορυκτολόγος στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, συνειδητοποίησε ότι η κρυσταλλική δομή του wadsleyite θα πληγεί από κενά. Αυτά τα κενά αποδεικνύονται ότι ταιριάζουν τέλεια με τα άτομα υδρογόνου, τα οποία θα μπορούσαν να κολλήσουν σε αυτά τα ελαττώματα και να συνδεθούν με τα γειτονικά άτομα οξυγόνου που βρίσκονται ήδη στο ορυκτό. Ο Wadsleyite, όπως διαπίστωσε ο Smyth, μπορεί ενδεχομένως να αρπάξει πολύ υδρογόνο, μετατρέποντάς το σε ένα ένυδρο ορυκτό που παράγει νερό όταν λιώνει. Για επιστήμονες όπως ο Smyth, υδρογόνο σημαίνει νερό.
Πιο βαθιά στη ζώνη μετάβασης, ο wadsleyite γίνεται ringwoodite. Και στο εργαστήριο, ο Jacobsen (ο οποίος ήταν μεταπτυχιακός φοιτητής του Smyth τη δεκαετία του 1990) έσφιγγε και ζέστανε κομμάτια ringwoodite για να μιμηθεί τις ακραίες συνθήκες της μεταβατικής ζώνης. Ερευνητές που έκαναν παρόμοια πειράματα τόσο με τον wadsleyite όσο και με τον ringwoodite διαπίστωσαν ότι στη μεταβατική ζώνη, αυτά τα ορυκτά μπορούσαν να κρατήσουν το 1 έως 3 τοις εκατό του βάρους τους σε νερό. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η ζώνη μετάβασης είναι ένα κέλυφος πάχους περίπου 250 χιλιομέτρων που αντιπροσωπεύει περίπου το 7 τοις εκατό της μάζας της Γης (συγκριτικά, ο φλοιός είναι μόνο 1 τοις εκατό), θα μπορούσε να περιέχει αρκετές φορές περισσότερο νερό από τους ωκεανούς της Γης.
Αυτά τα πειράματα, ωστόσο, μετρούν μόνο τη χωρητικότητα νερού. "Δεν είναι μια μέτρηση του πόσο υγρό είναι το σφουγγάρι, είναι μια μέτρηση του πόσο μπορεί να χωρέσει το σφουγγάρι", δήλωσε η Wendy Panero, γεωφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο.
Ούτε τα πειράματα ήταν απαραιτήτως ρεαλιστικά, αφού οι ερευνητές μπορούσαν να δοκιμάσουν μόνο τον ringwoodite που καλλιεργήθηκε στο εργαστήριο. Εκτός από λίγους μετεωρίτες, κανείς δεν είχε δει ποτέ ringwoodite στη φύση. Δηλαδή μέχρι το 2014.
Δελκυστικές ενδείξεις
Ενώ οι οπαδοί του ποδοσφαίρου συνέρρεαν στη Βραζιλία για το Παγκόσμιο Κύπελλο του 2014, μια μικρή ομάδα γεωλόγων κατευθύνθηκε προς τα χωράφια γύρω από τη Juína, μια πόλη σχεδόν 2.000 χιλιόμετρα δυτικά της Μπραζίλια. Ήταν στο κυνήγι για διαμάντια που είχαν συλλεχθεί από τοπικά ποτάμια.
Καθώς τα διαμάντια σχηματίζονται στη θερμότητα και την υψηλή πίεση του μανδύα, μπορούν να παγιδεύσουν κομμάτια ορυκτών. Επειδή τα διαμάντια είναι τόσο σκληρά και άκαμπτα, διατηρούν αυτά τα ορυκτά του μανδύα καθώς εκτοξεύονται στην επιφάνεια μέσω ηφαιστειακών εκρήξεων.
Οι ερευνητές αγόρασαν περισσότερους από χίλιους από τους πιο διάστικτους κρυστάλλους γεμάτους μέταλλα. Ένας από τους επιστήμονες, ο Graham Pearson, πήγε αρκετές εκατοντάδες πίσω στο εργαστήριό του στο Πανεπιστήμιο της Αλμπέρτα, όπου, μέσα σε ένα συγκεκριμένο διαμάντι, ανακάλυψε μαζί με τους συναδέλφους του δακτυλίτη από τη ζώνη μετάβασης. Όχι μόνο αυτό, αλλά ήταν ένυδρος ringwoodite, πράγμα που σήμαινε ότι περιείχε νερό — περίπου 1 τοις εκατό κατά βάρος.
«Είναι μια σημαντική ανακάλυψη από την άποψη της αληθοφάνειας», δήλωσε ο Brandon Schmandt, σεισμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Νέου Μεξικού. Για πρώτη φορά, οι επιστήμονες είχαν ένα δείγμα της ζώνης μετάβασης - και ήταν ενυδατωμένο. "Δεν είναι σίγουρα τρελό, λοιπόν, να πιστεύεις ότι και άλλα μέρη της ζώνης μετάβασης είναι επίσης ενυδατωμένα."
Αλλά, πρόσθεσε, «θα ήταν επίσης λίγο τρελό να σκεφτεί κανείς ότι ένας κρύσταλλος αντιπροσωπεύει τον μέσο όρο ολόκληρης της ζώνης μετάβασης». Τα διαμάντια, τελικά, σχηματίζονται μόνο υπό ορισμένες συνθήκες και αυτό το δείγμα μπορεί να προέρχεται από ένα μοναδικά υδάτινο μέρος.
Για να δει πόσο διαδεδομένος θα μπορούσε να είναι ο ένυδρος δακτύλιος, ο Schmandt συνεργάστηκε με τον Jacobsen και άλλους για να τον χαρτογραφήσουν χρησιμοποιώντας σεισμικά κύματα. Λόγω της μεταφοράς, ο ένυδρος δακτύλιος μπορεί να βυθιστεί και καθώς πέφτει κάτω από τη ζώνη μετάβασης, η αυξανόμενη πίεση τυλίγει το νερό, προκαλώντας την τήξη του ορυκτού. Ακριβώς κάτω από τη ζώνη μετάβασης όπου το υλικό του μανδύα κατέρχεται, αυτές οι δεξαμενές λιωμένων ορυκτών μπορούν να επιβραδύνουν απότομα τα σεισμικά κύματα. Μετρώντας τις σεισμικές ταχύτητες κάτω από τη Βόρεια Αμερική, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι, πράγματι, τέτοιες πισίνες φαίνονται κοινές κάτω από τη ζώνη μετάβασης. Μια άλλη μελέτη που μέτρησε τα σεισμικά κύματα κάτω από τις ευρωπαϊκές Άλπεις βρήκε παρόμοιο μοτίβο.
Το άφθονο νερό του μανδύα έλαβε άλλη μια ώθηση τον Μάρτιο, όταν μια ομάδα με επικεφαλής τον Oliver Tschauner, ορυκτολόγο στο Πανεπιστήμιο της Νεβάδα, στο Λας Βέγκας, ανακάλυψε διαμάντια που περιέχουν πραγματικά κομμάτια πάγου νερού — η πρώτη παρατήρηση ελεύθερα υπάρχοντος H2 Ο από τον μανδύα. Τα δείγματα μπορεί να λένε περισσότερα για τις υγρές συνθήκες που σχημάτισαν το διαμάντι παρά για την ύπαρξη οποιασδήποτε πανταχού παρούσας δεξαμενής. Επειδή όμως αυτό το νερό - μια μορφή υψηλής πίεσης που ονομάζεται πάγος-VII - βρέθηκε σε διάφορες τοποθεσίες στη νότια Αφρική και την Κίνα, θα μπορούσε να αποδειχθεί σχετικά διαδεδομένο.
«Μερικά χρόνια από τώρα, θα διαπιστώσουμε ότι ο πάγος-VII είναι πολύ πιο συνηθισμένος», δήλωσε ο Steve Shirey, γεωλόγος στο Carnegie Institute for Science. "Μας λέει ότι έχουμε την ίδια ιστορία που μας λέει ο ένυδρος ringwoodite."
Αλλά αν η ιστορία είναι ότι ο μανδύας είναι γεμάτος με νερό, ο βράχος μας αφήνει να αναρωτιόμαστε πώς έφτασαν όλα εκεί.
Υδατική προέλευση
Σύμφωνα με την καθιερωμένη ιστορία, το νερό της Γης εισήχθη. Η περιοχή γύρω από τον ήλιο όπου σχηματίστηκε ο πλανήτης ήταν πολύ ζεστή για να συμπυκνωθούν πτητικές ενώσεις όπως το νερό. Έτσι, η εκκολαπτόμενη Γη ξεκίνησε στεγνή, βρέχοντας μόνο αφού πλούσια σε νερό σώματα από το μακρινό ηλιακό σύστημα συνετρίβη στον πλανήτη, μεταφέροντας νερό στην επιφάνεια. Οι περισσότεροι από αυτούς πιθανότατα δεν ήταν κομήτες αλλά μάλλον αστεροειδείς που ονομάζονται ανθρακούχοι χονδρίτες, οι οποίοι μπορεί να είναι έως και 20 τοις εκατό νερό κατά βάρος, αποθηκεύοντάς το σε μια μορφή υδρογόνου όπως ο δακτύλιος.
Αλλά εάν υπάρχει ένα τεράστιο απόθεμα νερού στη ζώνη μετάβασης, αυτή η ιστορία προέλευσης του νερού θα πρέπει να αλλάξει. Εάν η ζώνη μετάβασης μπορούσε να αποθηκεύσει το 1 τοις εκατό του βάρους της σε νερό - μια μέτρια εκτίμηση, είπε ο Jacobsen - θα περιέχει διπλάσια ποσότητα από τους ωκεανούς του κόσμου. Ο κάτω μανδύας είναι πολύ πιο στεγνός αλλά και ογκώδης. Θα μπορούσε να αντιστοιχεί σε όλους τους ωκεανούς του κόσμου (και πάλι). Υπάρχει και νερό στην κρούστα. Προκειμένου η καταβύθιση να ενσωματώσει τόσο πολύ νερό από την επιφάνεια με τον τρέχοντα ρυθμό, θα χρειαζόταν πολύ περισσότερος χρόνος από την ηλικία του πλανήτη, είπε ο Jacobsen.
Αν συμβαίνει αυτό, τουλάχιστον μέρος του εσωτερικού νερού της Γης πρέπει να ήταν πάντα εδώ. Παρά τη θερμότητα στο πρώιμο ηλιακό σύστημα, τα μόρια του νερού θα μπορούσαν να έχουν κολλήσει στα σωματίδια σκόνης που συνενώθηκαν για να σχηματίσουν τη Γη, σύμφωνα με ορισμένες θεωρίες.
Ωστόσο, η συνολική ποσότητα νερού στον μανδύα είναι ένας εξαιρετικά αβέβαιος αριθμός. Στο χαμηλό άκρο, ο μανδύας μπορεί να κρατά μόνο το μισό νερό από ότι στους ωκεανούς του κόσμου, σύμφωνα με τον Schmandt και άλλους.
Στο ψηλότερο άκρο, ο μανδύας μπορούσε να κρατήσει δύο ή τρεις φορές την ποσότητα νερού στους ωκεανούς. Αν υπήρχαν πολύ περισσότερα από αυτό, η πρόσθετη θερμότητα της νεότερης Γης θα είχε κάνει τον μανδύα πολύ υδαρή και ρευστή για να σπάσει τις ηπειρωτικές πλάκες και η σημερινή τεκτονική πλακών μπορεί να μην είχε ποτέ ξεκινήσει. «Αν έχετε ένα μάτσο νερό στην επιφάνεια, είναι υπέροχο», είπε ο Jun Korenaga, γεωφυσικός στο Πανεπιστήμιο Yale. "Αν έχετε ένα μάτσο νερό στο μανδύα, δεν είναι υπέροχο."
Όμως παραμένουν πολλές αβεβαιότητες. Ένα μεγάλο ερωτηματικό είναι ο κάτω μανδύας, όπου οι ακραίες πιέσεις μετατρέπουν τον ringwoodite σε μπριτζμανίτη, ο οποίος δεν μπορεί να κρατήσει καθόλου νερό. Πρόσφατες μελέτες, ωστόσο, υποδηλώνουν την παρουσία νέων ορυκτών που φέρουν νερό, που ονομάζονται φάση Δ και φάση Η. Το πώς ακριβώς είναι αυτά τα ορυκτά και πόσο νερό μπορούν να αποθηκεύσουν παραμένει ένα ανοιχτό ερώτημα, είπε ο Panero. "Επειδή είναι μια ανοιχτή ερώτηση, νομίζω ότι η περιεκτικότητα σε νερό στον μανδύα παραμένει ανοιχτή για συζήτηση — ορθάνοιχτη."
Η μέτρηση της εσωτερικής αποθήκευσης νερού της Γης δεν είναι εύκολη. Ένας πολλά υποσχόμενος τρόπος είναι να μετρηθεί η ηλεκτρική αγωγιμότητα του μανδύα, είπε ο Korenaga. Αλλά αυτές οι τεχνικές δεν είναι ακόμη τόσο προηγμένες όσο, ας πούμε, η χρήση σεισμικών κυμάτων. Και ενώ τα σεισμικά κύματα προσφέρουν μια σφαιρική άποψη του εσωτερικού της Γης, η εικόνα δεν είναι πάντα ξεκάθαρη. Τα σήματα είναι διακριτικά και οι ερευνητές χρειάζονται πιο ακριβή δεδομένα και καλύτερη κατανόηση των ιδιοτήτων ενός πιο ρεαλιστικού υλικού του μανδύα, αντί μόνο του ringwoodite και του wadsleyite. Αυτά τα δύο ορυκτά αποτελούν περίπου το 60 τοις εκατό της ζώνης μετάβασης, ενώ τα υπόλοιπα είναι ένα σύνθετο μείγμα άλλων ορυκτών και ενώσεων.
Η εύρεση περισσότερων διαμαντιών με ένυδρα ορυκτά θα βοηθούσε επίσης. Στο εργαστήριο του Jacobsen, αυτή η δουλειά ανήκει στην πτυχιούχο φοιτήτρια Michelle Wenz. Για κάθε διαμάντι, χρησιμοποιεί ισχυρές ακτίνες Χ στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne για να χαρτογραφήσει τη θέση κάθε ορυκτού στίγματος, από τα οποία μπορεί να υπάρχουν μισή ντουζίνα. Στη συνέχεια, για να αναγνωρίσει τα ορυκτά, εκτοξεύει ακτίνες Χ σε κάθε κομμάτι και μετρά πώς οι ακτίνες διασκορπίζονται από την κρυσταλλική δομή του. Από τα εκατοντάδες διαμάντια στο εργαστήριο, όλα από τη Βραζιλία, έχει περάσει περίπου 60. Δεν υπάρχει νερό ακόμα.
Νερό ή όχι, είπε, αυτές οι κάψουλες από τα βαθιά είναι ακόμα εκπληκτικές. «Κάθε ένα είναι τόσο μοναδικό», είπε. "Μοιάζουν πολύ με νιφάδες χιονιού."
Διόρθωση:Αυτό το άρθρο αναθεωρήθηκε στις 11 Ιουλίου 2018, για να διορθωθεί ένα τυπογραφικό λάθος. Είναι ο μανδύας, όχι ο ωκεανός, που θα μπορούσε να χωρέσει δύο ή τρεις φορές την ποσότητα νερού στους ωκεανούς.
