Углерод и азот играют центральную роль в жизни на Земле - жизнь не может существовать без них, но переизбыток в атмосфере ставит под угрозу жизнь, которая у нас есть. Итак, сколько углерода и азота находится на (и в) планете Земля? А сколько было в древней атмосфере? На самом деле никто не уверен.
Количество углерода и азота, заключенных в минералах в земной коре, является одним из факторов в уравнении и предметом трехлетнего исследовательского проекта, поддерживаемого грантом в размере 900 000 долларов США от Министерства энергетики США. В своей работе исследователи изучат способность минералов поглощать и удерживать углерод и азот. Поступая таким образом, они также могут открыть новый источник информации о древней атмосфере.
Жизнь взаимодействует с земной корой и атмосферой, и этот проект может рассказать нам и о том, и о том, какие минералы поглощают углерод и азот, насколько хорошо они их поглощают, насколько хорошо они их удерживают и как быстро газы убежать при определенных условиях», - сказал Брюс Уотсон, геохимик и профессор геохимии Политехнического института Ренсселера. «С этой информацией мы можем вывести количество углерода и азота, содержащихся в этих минералах, и мы также исследуем интригующую возможность того, что они содержат записи о древней атмосфере».
Уотсон, директор Нью-Йоркского центра астробиологии, руководит проектом под названием «Хранение и распространение углерода и азота в материалах земной коры» в сотрудничестве с Морганом Шаллером, доцентом кафедры наук о Земле и окружающей среде. и Сюзанна Л. Болдуин, профессор Сиракузского университета.
Углерод и азот - два из 83 элементов (каждый из которых состоит из нескольких изотопов), обнаруженных на Земле в разной степени. В земной коре, толщина которой может достигать 30 миль, отложения богатых кремнеземом минералов, таких как кварц, полевой шпат и слюда, содержат газы, захваченные при образовании минералов. В своем кабинете Ватсон в качестве примера показал образец кремня, разновидности кварца.
«Chert - это двуокись кремния, которая выпадает в осадок из раствора. Этот образец образовался 300 миллионов лет назад в среде, похожей на торфяное болото», - сказал Уотсон. «Это минерал, но он не чистый. В нем есть газы, которые присутствовали при его образовании - углекислый газ, азот, кислород, аргон - все основные компоненты атмосферы. Этот кусок кремня может содержать образец атмосферы. как это было 300 миллионов лет назад."
Но все не так просто. Даже свидетель, кажущийся инертным, как скала, меняется за 300 миллионов лет.
«Даже когда он находится здесь при комнатной температуре, атомы в этом кристалле вибрируют, и время от времени один из этих атомов перескакивает с одного места на другое», - сказал Уотсон. «Итак, вопрос в том, как быстро это произойдет с газами внутри этого минерала? Насколько точен он регистратор атмосферы?»
Чтобы выяснить это, Уотсон проведет серию экспериментов по измерению растворимости и диффузии углерода и азота в определенных минералах, оценивая, сколько соответствующих газов могут поглощать конкретные минералы и насколько хорошо они удерживаются. Например, исследователи будут «замачивать» образцы минералов в атмосфере углерода, кислорода, водорода и азота при высоком давлении и температуре. Растворимость можно определить путем измерения количества молекул на кубический сантиметр, которые могут быть введены в минерал. Исследователи также могут выращивать минералы в присутствии этих газов и измерять поглощение газов во время образования. Чтобы определить скорость диффузии газов из минерала, исследователи будут использовать анализ ядерных реакций для измерения концентрации газов в зависимости от глубины в образце.
Шаллер предоставит «основную правду» о концентрации газа в минералах, используя специализированный масс-спектрометр для измерения количества газов, обнаруженных в древних минералах. Кроме того, Шаллер измерит естественное содержание захваченных газов в образцах разных периодов времени на протяжении всей геологической истории, чтобы восстановить изменения концентрации атмосферных газов..
«Если мы сможем сначала продемонстрировать, что определенные материалы, такие как кремни, очень хорошо удерживают углерод и азот, у нас будет потенциально точный регистратор основных атмосферных газов во времени», - сказал Шаллер. «Чрезвычайно важно знать концентрацию, например, углекислого газа в самые теплые периоды в истории Земли, потому что они могут помочь нам понять текущую траекторию планеты."