Dünya'nın derinliklerinde milyarlarca yıldır devam eden bir madde alışverişi, yüzeydeki volkanik kayalarda iz bırakmış olabilir. Science Advances dergisinde yayımlanan yeni bir araştırma, gezegenin metalik çekirdeğinde bulunan hidrojenin zamanla mantoya sızdığını ve buradan yüzeye kadar ulaşan jeolojik süreçlere katıldığını öne sürdü. Bulgular, Dünya'nın çekirdeği ile mantosunun oluşumlarından bu yana birbirinden tamamen ayrı kalmadığına işaret ediyor.
Yaklaşık 4,5 milyar yıl önce Dünya, büyük ölçüde erimiş haldeydi. Gezegen soğumaya başladığında yoğun demir merkeze doğru çökerken, daha hafif silikatlar üst katmanlarda birikerek mantoyu oluşturdu. Böylece metalik çekirdek ile kayalardan oluşan manto birbirinden ayrıldı. Ancak bilim insanlarının yanıt aradığı soru, bu ayrışmanın ardından iki katman arasında kimyasal alışverişin devam edip etmediğiydi.
Araştırmacılar bu sorunun yanıtını, Kanada'nın Arktik bölgesindeki Baffin Adası ve İzlanda'dan alınan volkanik kayalarda aradı. Bu kayalarda bulunan hidrojenin izotop bileşimi, Dünya'nın derinliklerindeki süreçlere ilişkin sıra dışı ipuçları taşıyor. Özellikle döteryum olarak bilinen ağır hidrojen izotopunun beklenenden düşük miktarda bulunması, mevcut açıklamaların yeniden değerlendirilmesine yol açtı.
Volkanik kayalardaki hidrojen neden farklı?
Hidrojenin iki farklı formu, araştırmanın merkezinde yer alıyor. Bunlardan ilki, atom çekirdeğinde tek proton bulunan sıradan hidrojen. Diğeri ise çekirdeğinde bir proton ve bir nötron taşıyan döteryum. Her ikisi de suyun yapısına katılabiliyor ancak aralarındaki kütle farkı, çeşitli jeolojik süreçlerde farklı davranmalarına neden olabiliyor.
Bilim insanları, Dünya'nın ilk dönemlerindeki magma okyanusu soğurken bu iki hidrojen izotopunun nasıl dağıldığını anlamak için gezegenin derinliklerindeki koşulları taklit eden bilgisayar simülasyonları gerçekleştirdi. Modellerde, erimiş kayaların soğuyarak farklı minerallere dönüşmesi sırasında hidrojen ve döteryumun davranışı incelendi.
Sonuçlar, her iki hidrojen formunun da magma okyanusunun soğuması sırasında manto boyunca nispeten eşit dağıldığını gösterdi. Farklı derinliklerde küçük izotop değişimleri oluşsa da bunlar Baffin Adası ve İzlanda'daki volkanik kayalarda ölçülen son derece düşük döteryum seviyelerini açıklamak için yeterli değildi. Bu uyumsuzluk, araştırmacıları hidrojenin başka bir kaynaktan gelmiş olabileceği ihtimaline yöneltti. En güçlü adaylardan biri ise Dünya'nın metalik çekirdeğiydi.
Dünya'nın çekirdeğinden mantoya hidrojen sızıyor olabilir
Araştırmacıların ortaya koyduğu açıklamaya göre, Dünya'nın oluşumu sırasında merkeze çöken demir, çevresindeki hidrojeni de bünyesine aldı. Bu süreçte çekirdekte biriken hidrojenin döteryum açısından fakir kaldığı düşünülüyor.
Milyarlarca yıl boyunca bu hidrojenin bir bölümü metalik çekirdekten mantonun en alt kesimlerine geçmiş olabilir. Ardından mantodaki jeolojik süreçlere katılan hidrojenin, zamanla yüzeye ulaşan volkanik kayaların kimyasal bileşimini etkilemesi söz konusu.
Bu olasılığı destekleyen tek bulgu hidrojen izotopları değil. Araştırmacılar, aynı volkanik kayalarda helyum-3 ve helyum-4 izotopları arasındaki oranın da dikkat çekici derecede yüksek olduğunu belirtiyor. Helyum-3'ün Dünya'nın ilk dönemlerinden kalmış olabileceği ve bir bölümünün metalik çekirdekte korunmuş olabileceği düşünülüyor. Bu nedenle volkanik kayalardaki yüksek helyum-3/helyum-4 oranı, derinlerden gelen maddelerin izini sürmek açısından önemli bir gösterge olarak değerlendiriliyor.
Kayalarda tespit edilen sıra dışı tungsten ve renyum-rutenyum kimyasal izleri de çekirdek kaynaklı madde katkısı yorumunu destekleyen diğer bulgular arasında yer alıyor.
Dünya'nın iç katmanları sandığımız kadar yalıtılmış olmayabilir
Araştırmanın sonuçları, Dünya'nın çekirdeği ile mantosunun milyarlarca yıl boyunca tamamen birbirinden bağımsız kimyasal hazneler gibi davranmadığı ihtimalini güçlendiriyor. Buna göre gezegenin ilk dönemlerinden kalan hidrojen ve helyum gibi uçucu maddeler, metalik çekirdekten mantoya aktarılmış olabilir. Mantodaki hareketler ve volkanik faaliyetler de bu maddelerin bir bölümünün yüzeydeki kayalara kadar ulaşmasını sağlamış olabilir.
Bununla birlikte araştırma, çekirdekten mantoya madde aktarımının tam olarak nasıl gerçekleştiği sorusunu henüz yanıtlamış değil. İki katman arasındaki sınırdan hidrojenin hangi fiziksel ve kimyasal mekanizmalarla geçtiğinin anlaşılması için yeni çalışmalara ihtiyaç var.
Baffin Adası ve İzlanda'daki volkanik kayalardan elde edilen bulgular, Dünya'nın bugün yüzeyinde görülen bazı kimyasal özelliklerin kökeninin gezegenin oluşum dönemine kadar uzanabileceğini gösteriyor. Araştırmacıların sonraki hedefi ise çekirdek ile manto arasında gerçekleştiği düşünülen bu uzun süreli madde alışverişinin nasıl işlediğini açıklığa kavuşturmak.