Imaginez si l'histoire de la Terre avait un roman mystère, et l'un de ses plus grands puzzles non résolus était: où allait tout l'azote? Les scientifiques savent depuis longtemps que les couches extérieures rocheuses de notre planète – le manteau – sont étrangement pauvres en azote par rapport à d'autres éléments volatils comme le carbone ou l'eau. Très étrangement, le C / N et 36Les rapports AR / N dans la Terre de silicate en vrac (ESBS, la Terre entière moins le noyau métallique) sont bien plus élevés que ceux trouvés dans les météorites qui ont soi-disant livré ces ingrédients pendant la petite enfance de la planète.
Pendant des décennies, ce problème « manquant d'azote » a perplexe les chercheurs. Une nouvelle étude publiée dans Lettres de science de la Terre et planétaire Pourrait enfin avoir la réponse: un jeu dramatique de cache-cache cosmique au plus profond de notre planète.
Pour comprendre ce mystère, nous devons rembobiner 4,6 milliards d'années. La Terre était une boule de fusion et fusionuse, avec un océan Magma barattant à plus de 1 000 kilomètres de profondeur. Au cours de cette période, les métaux lourds comme le fer ont coulé pour former le noyau, tandis que les composants minéraux plus légers se sont levés puis se sont solidifiés pour créer le manteau silicate.
Ce processus, appelé la différenciation de la noyau du manteau, a façonné la structure en couches de la Terre. Mais ce ne sont pas seulement les métaux et les roches qui se trimaient – des éléments volatils comme l'azote, le carbone et l'argon ont été pris dans le feu croisé. Où ces éléments se sont retrouvés – piégés dans le noyau, dissous dans le manteau ou perdus dans l'espace – déterminent pourquoi la Terre ressemble et fonctionne comme elle le fait aujourd'hui.
L'azote est particulièrement énigmatique. Bien qu'il représente 78% de l'atmosphère aujourd'hui, la quantité totale du manteau rocheux de la Terre est choquante – juste de 1 à 5 parties par million. Le carbone et l'argon sont beaucoup plus abondants par rapport à l'azote que dans les météorites qui ont probablement livré ces éléments.
Les scientifiques ont proposé de nombreuses hypothèses: peut-être que l'azote s'est échappé dans l'espace, ou peut-être qu'il n'a jamais été livré en grande quantité. Mais une équipe de chercheurs du Geodynamics Research Center, Ehime University au Japon, a posé une question différente: que se passe-t-il si le cœur de la Terre avait volé la majeure partie de l'azote?
Pour tester cette idée, les scientifiques ont recréé les conditions extrêmes de l'océan Magma précoce de la Terre à l'aide de «superordinateurs». Ils ont simulé comment l'azote se comporte lorsqu'il a été pressé à des pressions jusqu'à 1,35 million de fois la pression à la surface (135 GPa) et chauffés à 5 000 K – des conditions ont trouvé des milliers de kilomètres de profondeur dans une jeune planète fondue.
En utilisant une méthode mécanique quantique appelée dynamique moléculaire ab initio combinée avec la méthode d'intégration thermodynamique basée sur la physique statistique, qui calcule les interactions atomiques à partir des principes de physique fondamentale, ils ont suivi les préférences de l'azote: a-t-elle obtenu un lien avec le noyau riche en fer ou s'est-il disséqué dans le manteau de silicate?
Les résultats étaient frappants. Sous la chaleur et la pression intenses d'un océan magma profond, l'azote est devenu un «amoureux des métaux». À 60 GPa, l'azote était plus de 100 fois plus susceptible de rejoindre le noyau que de rester dans le manteau après sa solidification. À mesure que la pression augmentait, cette préférence a augmenté, mais pas en ligne droite. Au lieu de cela, la relation a été incurvée. Cet effet non linéaire n'avait jamais été clairement montré auparavant et a aidé à expliquer pourquoi des expériences antérieures ont produit des résultats contradictoires.
Mais pourquoi l'azote se comporte-t-il de cette façon? Les simulations ont révélé un mécanisme microscopique. Dans le silicate fondu de l'océan magma, les atomes d'azote initialement liés à eux-mêmes ou les atomes d'hydrogène comme les ions ammonium (NH4+). Mais sous des pressions croissantes, ils se sont séparés. L'azote s'est plutôt lié à des atomes de silicium, intégrant dans le réseau de silicate sous forme d'ions nitrure (n³⁻).
Pendant ce temps, dans le noyau métallique, l'azote s'est glissé dans les lacunes entre les atomes de fer, se comportant plus comme un atome neutre. Ce comportement a provoqué plus d'azote pour abandonner le silicate fondu pour l'étreinte du noyau.
L'étude ne s'est pas arrêtée à l'azote. Le peignant avec des études précédentes, Huang et Tsuchiya ont constaté que le carbone, bien que quelque peu sidérophile (qui aimait les métaux), était inférieur à l'azote dans des conditions de magma profonde. Argon, un élément inerte, ne se souciait pas du tout des métaux. Cette hiérarchie – nitrogen> carbone> argon en préférence centrale – peut résoudre deux mystères.
Pour quantifier cela, les chercheurs ont construit un modèle d'accrétion de la Terre il y a 4,6 milliards d'années. Supposons que la Terre ait gagné des volatiles des chondrites carbonées, des météorites avec des compositions similaires au système solaire précoce. La livraison de 5% à 10% de la masse de la Terre à partir de ces roches fournirait suffisamment d'azote, de carbone et d'argon.
Si la formation du noyau se produisait dans un océan magma profond (par exemple, 60 GPa), plus de 80% d'azote s'enfoncerait dans le noyau, laissant le manteau avec 1 à 7 ppm – correspondant aux observations. Le carbone, moins désireux de partir, resterait dans le manteau, créant le rapport C / N élevé observé. L'argon, rejeté par le noyau et le manteau, serait concentré de manière disproportionnée dans l'atmosphère, expliquant le haut 36AR / N de l'ESB.
Cette découverte remodèle notre compréhension des origines volatiles de la Terre. Pendant des années, les scientifiques ont débattu de la question de savoir si les ratios bizarres de la Terre signifiaient que les météorites inhabituelles ou la perte d'azote perdaient à l'espace. Cette étude plaide pour une histoire plus simple: les volatils de la Terre provenaient de chondrites carbonées, mais leur destin a été scellé par l'extrême physique de la formation de base.
La profondeur de différenciation importait le plus – les océans magma par étalon ne pouvaient pas produire les rapports observés, mais les profonds reproduisent parfaitement l'empreinte digitale volatile de la Terre. Ces liens vers un argument selon lequel les rapports volatils distincts de l'ESB par rapport aux chondrites peuvent refléter des temps d'accrétion différents plutôt que des sources différentes.
Ce processus de formation de base a déterminé la quantité d'azote retenue dans l'ESB, l'une des conditions préalables à l'abondance d'éléments bioesquents dans l'atmosphère terrestre et les couches rocheuses. Bien qu'il prenne la Terre longtemps pour devenir habitable, les conditions essentielles à la vie peuvent avoir été fixées il y a des milliards d'années lorsque le noyau et le manteau se séparaient.
En fin de compte, l'azote de la Terre n'a pas été perdu. Il s'est caché à la vue, enfermée dans le cœur pendant des milliards d'années. Cette découverte nous rappelle que l'histoire de notre planète est écrite non seulement dans les rochers et les fossiles, mais dans les préférences cryptiques des atomes sous des pressions inimaginables.
