Ett schema som visar bildandet av en planet i storleken Mars (till vänster) och dess differentiering till en kropp med en metallisk kärna och en överliggande silikatreservoar. Den svavelrika kärnan driver ut kol, producerar silikat med ett högt förhållande mellan kol och kväve. Den månbildande kollisionen av en sådan planet med den växande jorden (höger) kan förklara jordens överflöd av både vatten och viktiga livsnödvändiga element som kol, kväve och svavel, samt den geokemiska likheten mellan jorden och månen. Kredit:Rajdeep Dasgupta
De flesta av jordens väsentliga element för liv - inklusive det mesta av kolet och kvävet i dig - kom förmodligen från en annan planet.
Jorden fick med största sannolikhet huvuddelen av sitt kol, kväve och andra livsnödvändiga flyktiga element från planetkollisionen som skapade månen för mer än 4,4 miljarder år sedan, enligt en ny studie av petrologer från Rice University i tidskriften Vetenskapens framsteg .
"Från studiet av primitiva meteoriter, forskare har länge vetat att jorden och andra steniga planeter i det inre solsystemet är flyktiga utarmade, ", sade studiens medförfattare Rajdeep Dasgupta. "Men tidpunkten och mekanismen för flyktig leverans har diskuterats hett. Vårt är det första scenariot som kan förklara tidpunkten och leveransen på ett sätt som överensstämmer med alla geokemiska bevis."
Bevisen sammanställdes från en kombination av hög temperatur, högtrycksexperiment i Dasguptas labb, som specialiserat sig på att studera geokemiska reaktioner som äger rum djupt inne i en planet under intensiv värme och tryck.
I en serie experiment, studiens huvudförfattare och doktorand Damanveer Grewal samlade bevis för att testa en mångårig teori om att jordens flyktiga ämnen kom från en kollision med en embryonal planet som hade en svavelrik kärna.
Svavelhalten i donatorplanetens kärna spelar roll på grund av den förbryllande mängden experimentella bevis om kolet, kväve och svavel som finns i alla delar av jorden förutom kärnan.
"Kärnan interagerar inte med resten av jorden, men allt ovanför det, manteln, skorpan, hydrosfären och atmosfären, är alla anslutna, "Sa Grewal. "Material kretsar mellan dem."
En långvarig idé om hur jorden tog emot sina flyktiga ämnen var teorin om "sen faner" att flyktiga meteoriter, överblivna bitar av urmateria från det yttre solsystemet, anlände efter att jordens kärna bildades. Och medan de isotopiska signaturerna för jordens flyktiga ämnen matchar dessa urobjekt, känd som kolhaltiga kondriter, grundämnesförhållandet mellan kol och kväve är avstängt. Jordens icke-kärnmaterial, som geologer kallar bulksilikatet Jorden, har cirka 40 delar kol till varje del kväve, ungefär två gånger 20-1-förhållandet som ses i kolhaltiga kondriter.
Grewals experiment, som simulerade de höga trycken och temperaturerna under kärnbildning, testade idén att en svavelrik planetkärna kan utesluta kol eller kväve, eller båda, lämnar mycket större fraktioner av dessa grundämnen i bulksilikatet jämfört med jorden. I en serie tester vid ett intervall av temperaturer och tryck, Grewal undersökte hur mycket kol och kväve som kom in i kärnan i tre scenarier:inget svavel, 10 procent svavel och 25 procent svavel.
"Kväve var i stort sett opåverkat, " sa han. "Det förblev lösligt i legeringarna i förhållande till silikater, och började bara uteslutas från kärnan under den högsta svavelkoncentrationen."
Kol, däremot var betydligt mindre löslig i legeringar med mellanliggande svavelkoncentrationer, och svavelrika legeringar tog upp ungefär 10 gånger mindre kol i vikt än svavelfria legeringar.
En studie av forskare från Rice University (från vänster) Gelu Costin, Chenguang Sun, Damanveer Grewal, Rajdeep Dasgupta och Kyusei Tsuno fann att jorden troligen fick huvuddelen av sitt kol, kväve och andra livsnödvändiga element från planetkollisionen som skapade månen för mer än 4,4 miljarder år sedan. Fynden visas i tidskriften Vetenskapens framsteg . Kredit:Jeff Fitlow/Rice University
Med hjälp av denna information, tillsammans med de kända förhållandena och koncentrationerna av grundämnen både på jorden och i icke-jordiska kroppar, Dasgupta, Grewal och Rice postdoktorala forskare Chenguang Sun designade en datorsimulering för att hitta det mest sannolika scenariot som producerade jordens flyktiga ämnen. Att hitta svaret involverade att variera startvillkoren, kör cirka 1 miljard scenarier och jämför dem med de kända förhållandena i solsystemet idag.
"Vad vi fann är att alla bevis - isotopiska signaturer, kol-kväveförhållandet och de totala mängderna kol, kväve och svavel i bulksilikatet jorden – överensstämmer med en månbildande påverkan som involverar ett flyktigt lager, Mars-stor planet med en svavelrik kärna, sa Grewal.
Dasgupta, huvudutredaren på ett NASA-finansierat försök som heter CLEVER Planets som utforskar hur livsnödvändiga element kan mötas på avlägsna stenplaneter, sa att bättre förståelse för ursprunget till jordens livsnödvändiga element har implikationer bortom vårt solsystem.
"Denna studie tyder på att en stenig, Jordliknande planet får fler chanser att förvärva livsnödvändiga element om den bildas och växer från gigantiska nedslag med planeter som har provat olika byggstenar, kanske från olika delar av en protoplanetarisk skiva, sa Dasgupta.
"Detta tar bort vissa gränsvillkor, " sa han. "Det visar att livsnödvändiga flyktiga ämnen kan komma till ytskikten på en planet, även om de producerades på planetkroppar som genomgick kärnbildning under mycket olika förhållanden."
Dasgupta sa att det inte verkar som om jordens bulksilikat, på egen hand, kunde ha uppnått de livsnödvändiga flyktiga budgetar som producerade vår biosfär, atmosfär och hydrosfär.
"Det betyder att vi kan bredda vårt sökande efter vägar som leder till att flyktiga element kommer samman på en planet för att stödja livet som vi känner det."
