Jorden har genomgått många förändringar i sin 4,5 miljarder år långa historia, inklusive ett skifte för att börja införliva och behålla flyktiga föreningar från atmosfären i manteln innan de spyr ut dem igen genom vulkanutbrott.

Denna transport kunde inte ha börjat mycket förrän för 2,5 miljarder år sedan, enligt ny forskning från Washington University i St. Louis, publicerades i numret av tidskriften den 9 augusti Natur .

"Livet på jorden bryr sig om förändringar i ytans flyktiga budget, sa Rita Parai, biträdande professor i geokemi i Earth and Planetary Sciences in Arts &Sciences och första författare till studien. "Och det finns ett samspel mellan vad den djupa jorden gjorde och hur ytmiljön förändrades över miljarder år."

Flyktiga ämnen - som vatten, koldioxid och ädelgaserna - kommer ut ur manteln genom vulkanism och kan injiceras i jordens inre från atmosfären, ett par processer som kallas mantelavgasning och återgasning. Utbytet styr planetens beboelighet, eftersom det bestämmer yttillgängligheten för föreningar som är kritiska för livet – som kol, kväve och vatten.

Den nya modellen presenterad av Parai och samarbetspartnern Sujoy Mukhopadhyay, vid University of California, Davis, fastställer också ett intervall av datum då jorden skiftade från en nettoavgasningsregim – igen, tänk på de där suddiga vulkanerna – till en som lutade balansen till nettoåterföring möjligen möjlig genom subduktion, transportbandsverkan av tektoniska plattor.

Mekaniska egenskaper förändras när vatten tillsätts eller tas bort från manteln, så uppkomsten av återgasning hade en viktig effekt på den inre kärnningen av manteln, känd som konvektion, som styr plattans rörelser vid ytan, sa Parai.

Parai använder ädelgaser för att ta itu med frågor om hur planetariska kroppar bildas och utvecklas över tiden. I denna nya forskning, hon modellerade ödet och transporten av flyktiga föreningar in i jordens mantel med hjälp av xenonisotoper som spårämnen.

"Xenon är ett utmärkt flyktigt spårämne, eftersom alla mineraler som bär vatten också bär xenon, " sa Parai. "Så om xenonåterintag var försumbart, vattenåterföring måste också ha varit försumbar under arkean (4 miljarder-2,5 miljarder år sedan)."

Betydande omgasning började någon gång mellan några hundra miljoner till 2,5 miljarder år sedan, fann forskarna. Denna spännande period av jordens historia råkar också omfatta perioden då andningsbart syre började ackumuleras i jordens atmosfär - vad forskare kallar den stora oxidationshändelsen.

"Det skulle vara riktigt intressant om det intervallet kunde minskas, och tiden kring den stora oxidationshändelsen visade sig vara gynnad, ", sa Parai. "Det kan berätta för oss att det fanns någon grundläggande förändring i hur det fasta jordatmosfärsystemet fungerade.

"Men jag kan inte välja favoriter inom vårt sortiment, " sa hon. "Allt vi kan säga är att något förändrades efter 2,5 miljarder år sedan."

Om plattektoniken och subduktionen började tidigare än för 2,5 miljarder år sedan, då kanske jordens inre hade svalnat tillräckligt för att flyktiga ämnen skulle stanna kvar i subducerande plattor, snarare än att släppas och tränga tillbaka till ytan genom magmatism, Parai föreslår.

"De flesta människor har sällan tillfälle att tänka på flyktiga ämnen som är fångade i jordens inre, " Sa Parai. "De är närvarande i låga koncentrationer, men manteln är enorm vad gäller massa. Så för jordens totala flyktiga budget, manteln är en viktig reservoar."

Hon planerar att fokusera sin framtida forskning på att tänja på gränserna för precision i xenonisotopmätningar i en mängd olika geologiska prover.

"Ju fler observationsbegränsningar vi har, desto bättre, " Hon sa.