Jak ocean wewnątrz płaszcza wpływa na możliwość zamieszkania na Ziemi

Jak ocean wewnątrz płaszcza wpływa na możliwość zamieszkania na Ziemi

15 czerwiec 2022

Nowy model sugeruje, że “deszcz płaszczowy” z wnętrza płaszcza Ziemi gwarantuje, że zawsze będziemy mieć ocean powierzchniowy.

 

Wewnątrz Ziemi – kilkaset kilometrów pod skorupą ziemską – znajduje się jeszcze jeden ocean. Jest to najprawdopodobniej największy ocean na świecie. Ta woda nie pływa w wielkim basenie. Żadne ryby nie zapuszczają się w jego głębiny. W rzeczywistości ocean ten jest tylko wodą w najbardziej luźnym sensie: rozbity na złożone atomy wodoru i tlenu oraz chemicznie związany z otaczającą skałą, ocean ten jest magazynowany. Albo jego większość.

W płaszczu Ziemi jest tyle samo wody, co we wszystkich oceanach

Denis Andrault i Nathalie Bolfan-Casanova, geolodzy z Uniwersytetu Clermont Auvergne we Francji, opracowali nowy model, który pokazuje, że więcej tej wody jest w tranzycie niż wcześniej sądzono. Kiedy lita skała w płaszczu – warstwie planety między skorupą a jądrem – zostaje nasycona chemicznie zdysocjowaną wodą, może przekształcić się w bogatą w wodę stopioną zawiesinę. Gdy tak się stanie, wycieka ona z powrotem w kierunku skorupy. Naukowcy nazywają to deszczem płaszczowym [mantle rain].

„Wewnętrzny lub głęboki obieg wody kontroluje objętość oceanów na powierzchni Ziemi. Pojawienie się subdukcji 2-3 miliardy lat temu zainicjowało transport wody z powrotem do wnętrza Ziemi. Z jedną masą oceaniczną wstrzykniętą do głębokiego płaszcza w ciągu ostatnich 2-3 miliardów lat, niektóre regiony płaszcza musiały zostać nasycone, a tym samym stały się głębokim źródłem wody. Jest mało prawdopodobne, aby strefa przejściowa płaszcza (mantle transition zone – MTZ) między 410 a 660 km głębokości była źródłem wodnego stopu, ponieważ jej minerały mogą integrować kilka tysięcy ppm wody. Wręcz przeciwnie, warstwa o niskiej prędkości (low-velocity layer – LVL) leżąca powyżej nieciągłości 410 km jest jednym z takich źródeł. Zgodnie z propozycją “modelu strefy przejściowej z filtrem wodnym”, warstwa o niskiej prędkości  [LVL] jest wszechobecnie formowana przez globalne wypiętrzenie wodnej strefy przejściowej płaszcza [MTZ] jako przeciwprąd subdukcji płyt do głębszych regionów. Sygnatura sejsmiczna warstwy o niskiej prędkości [LVL] jest zgodna z obecnością 0,5-1% stopionego materiału. Stop ten jest wytwarzany przez topnienie odwadniające podczas wypiętrzania strefy przejściowej płaszcza (MTZ) zawierającej 2200(300) ppm wagowych H2O, co odpowiada 0,6 masy oceanu przechowywanej obecnie w strefie przejściowej płaszcza [MTZ]. Wodny stop krzemianowy może być stabilny grawitacyjnie tuż powyżej nieciągłości 410 km. Proponujemy tutaj, że na górnej granicy warstwy o niskiej prędkości  [LVL] staje się on wyporny, zwłaszcza tam, gdzie płaszcz jest szczególnie gorący i/lub uwodniony. Gdy stanie się wyporny, stopiony materiał może szybko przenikać w górę przez płaszcz. W rezultacie płaszcz oliwinowy (olivine-bearing mantle – OBM) może być prawie nasycony wodą, ze względu na obecność wypływającego wodnego stopu. Na swojej drodze stopiony materiał może być odpowiedzialny za sejsmiczne strefy niskiej prędkości na głębokości od 80 do 150 km. Może być również źródłem ponownego nawożenia płaszcza litosferycznego. W oparciu o ten model, obecnie w górnym płaszczu powinno znajdować się około 1,0 masy oceanicznej (oceanic mass – OM). Sekularne chłodzenie płaszcza oznacza zwiększoną zdolność minerałów płaszcza oliwinowego [OBM] do magazynowania wody. Związany z tym spadek masy oceanów na powierzchni Ziemi szacuje się na ~20% na miliard lat.” – Źródło: Physics of the Earth and Planetary Interiors, Volume 322, January 2022, 106815: Mantle rain toward the Earth’s surface: A model for the internal cycle of water

[Subdukcja w teorii tektoniki płyt proces polegający na wciąganiu lub wpychaniu jednej płyty litosferycznej pod drugą (oceaniczną lub kontynentalną)]

Podobnie jak obieg wody między atmosferą, lodowcami, jeziorami, rzekami, warstwami wodonośnymi i oceanem wpływa na poziom morza, obfitość deszczu i częstotliwość suszy, wymiana wody między płaszczem a powierzchnią również dyktuje warunki życia na Ziemi. Naukowcy wiedzą już, że woda może być ciągnięta w dół do płaszcza przez subdukujące płyty tektoniczne i sprowadzana z powrotem na powierzchnię przez takie zjawiska jak erupcje wulkaniczne, kominy hydrotermalne i tworzenie nowej skorupy w oceanicznych centrach rozprzestrzeniania się. Jeśli ten głęboki obieg wody między płaszczem a powierzchnią jest w równowadze, poziom mórz [wody] na Ziemi pozostaje stabilny. Jeśli nie, to na naszej planecie moglibyśmy mieć sytuację od pojedynczego globalnego oceanu po kompletnie wysuszony świat.

Możliwość zamieszkania na Ziemi w znacznym stopniu skorzystała z faktu, że poziom mórz na Ziemi pozostawał względnie stabilny przez miliardy lat. Jednak zgodnie z wcześniejszymi badaniami płaszcza, mogło być zupełnie inaczej. Szacunki oparte na wcześniej zrozumianej mechanice głębokiego obiegu wody sugerują, że prawie dwa razy więcej wody jest przenoszone do płaszcza, niż jest uwalniane z powrotem na powierzchnię.

“Istnieje warstwa około 410 kilometrów pod powierzchnią, która może pomieścić dużo wody” – mówi Andrault. Według dominującego rozumienia, woda powinna pozostać tam na zawsze. Jeśli tak rzeczywiście jest, to ilość wody na powierzchni Ziemi powoli będzie się zmniejszać, przez to, że jest zamknięta w płaszczu Ziemi.

Ale właśnie w tym miejscu pojawia się deszcz płaszczowy.

W swoim badaniu Denis Andrault i Nathalie Bolfan-Casanova pokazują, że deszcz płaszczowy może wystarczyć do utrzymania głębokiego obiegu wody w równowadze.

Aby odkryć deszcz płaszczowy, naukowcy przyjrzeli się temu, co dzieje się, gdy subdukująca płyta skalna i związana ze skałami woda zanurza się głębiej w płaszczu. Odkryli, że w miarę opadania, rosnące temperatury i ciśnienia powodują topnienie skał, uwalniając wodę.

“Stopiona woda jest jak zawiesina” – mówi Andrault. “Wyobraź sobie papkowatą mieszankę ziaren piasku sklejonych ze sobą i błota pomiędzy nimi – błoto to deszcz płaszczowy”.

W miarę topnienia kolejnych skał i uwalniania ze skał coraz większej ilości wody, stopiony materiał staje się na tyle lekki, że zaczyna się unosić. W tym czasie woda wiąże się z minerałami w górnym płaszczu i obniża ich temperaturę topnienia, powodując dalsze topnienie, które uwalnia więcej wody – i cykl trwa.

Model deszczu płaszczowego opracowany przez Andraulta i Bolfan-Casanovę, mówi Yoshinori Miyazaki, naukowiec zajmujący się Ziemią i planetami w Kalifornijskim Instytucie Technologii, który nie był zaangażowany w badanie, “pokazuje, że może istnieć inny sposób transportu wody w kierunku powierzchni, oprócz globalnej konwekcji samego płaszcza”.

[Konwekcja – proces przekazywania ciepła związany z makroskopowym ruchem materii w gazie, cieczy lub plazmie, np. powietrzu, wodzie, plazmie gwiazdowej.]

“Woda generalnie nie lubi znajdować się w fazie skalnej” – mówi Miyazaki. “Chętnie ucieka do fazy stopionej i przesącza się w górę”. Andrault twierdzi, że potrzeba włożyć więcej pracy, aby zrozumieć, w jakim stopniu woda ucieka w ten sposób.

Model deszczu płaszczowego sugeruje również, że w górnym płaszczu znajduje się obecnie jedna masa oceaniczna. “W połączeniu z oceanem na powierzchni“, mówi Andrault, “gwarantuje to, że na powierzchni Ziemi zawsze będzie woda”.

“Wciąż musimy się wiele nauczyć o głębokim obiegu wody” – mówi Miyazaki. “Ale jednym pewnym faktem jest to, że działał on w zdumiewający sposób, aby utrzymać średni poziom morza na Ziemi na względnie stałym poziomie przez ostatnie 500 milionów lat s prawdopodobnie i dłużej, aby utrzymać środowisko nadające się do życia”.

Źródło: How the Ocean Inside the Mantle Affects the Habitability of the Earth

 

Zobacz na: Nowy sposób wyjaśniania – David Deutsch
Nauka spod znaku kultu cargo – Richard Feynman [1974]
„Wokeizm” to współczesne czary – Gene Callahan