La entrega planetaria explica las enigmáticas características del carbono y el nitrógeno de la Tierra
La mayoría de los elementos esenciales para la vida en la Tierra, incluida la mayor parte del carbono y el nitrógeno que hay en ti, provienen probablemente de otro planeta.
La Tierra probablemente recibió la mayor parte de su carbono, nitrógeno y otros elementos volátiles esenciales para la vida de la colisión planetaria que creó la Luna hace más de 4,4 mil millones de años, según un nuevo estudio realizado por petrólogos de la Rice University en la revista Science Advances.
"Por el estudio de los meteoritos primitivos, los científicos han sabido durante mucho tiempo que la Tierra y otros planetas rocosos en el sistema solar interior están afectados por los volátiles", dijo el coautor del estudio Rajdeep Dasgupta. "Pero se ha debatido acaloradamente el momento y el mecanismo de entrega de volátiles. El nuestro es el primer escenario que puede explicar el momento y la entrega de manera consistente con todas las pruebas geoquímicas".
La evidencia se recopiló a partir de una combinación de experimentos de alta temperatura y presión en el laboratorio de Dasgupta, que se especializa en estudiar las reacciones geoquímicas que tienen lugar en el interior de un planeta bajo un intenso calor y presión.
En una serie de experimentos, el autor principal del estudio y estudiante graduado Damanveer Grewal reunieron pruebas para probar una teoría de larga data de que los volátiles de la Tierra llegaron de una colisión con un planeta embrionario que tenía un núcleo rico en azufre.
Es importante el contenido de azufre del núcleo del planeta donante debido a la desconcertante variedad de evidencia experimental sobre el carbono, el nitrógeno y el azufre que existen en todas las partes de la Tierra que no sean el núcleo.
"El núcleo no interactúa con el resto de la Tierra, pero todo lo que está por encima, el manto, la corteza, la hidrosfera y la atmósfera, están todos conectados", dijo Grewal. "Ciclos de material entre ellos".
Una idea de larga data acerca de cómo recibió la Tierra sus volátiles fue la teoría de la "carilla tardía (late veneer)" de que los meteoritos ricos en volátiles, trozos sobrantes de materia primordial del sistema solar exterior, llegaron después de que se formó el núcleo de la Tierra. Y mientras las firmas isotópicas de los volátiles de la Tierra coinciden con estos objetos primordiales, conocidos como condritas carbonáceas, está desactivada la proporción elemental de carbono a nitrógeno. El material no núcleo de la Tierra, que los geólogos llaman la Tierra de silicato a granel, tiene aproximadamente 40 partes de carbono por cada parte de nitrógeno, aproximadamente el doble de la proporción de 20-1 que se ve en las condritas carbonosas.
Los experimentos de Grewal, que simularon las altas presiones y temperaturas durante la formación del núcleo, probaron la idea de que un núcleo planetario rico en azufre podría excluir el carbono o el nitrógeno, o ambos, dejando fracciones mucho mayores de esos elementos en el silicato a granel en comparación con la Tierra. En una serie de pruebas en un rango de temperaturas y presión, Grewal examinó la cantidad de carbono y nitrógeno que se convirtió en el núcleo en tres escenarios: sin azufre, 10 por ciento de azufre y 25 por ciento de azufre.
"El nitrógeno no se vio afectado en gran medida", dijo. "Permaneció soluble en las aleaciones en relación con los silicatos, y solo comenzó a ser excluido del núcleo bajo la mayor concentración de azufre".
En contraste, el carbono fue considerablemente menos soluble en aleaciones con concentraciones intermedias de azufre, y las aleaciones ricas en azufre absorbieron aproximadamente 10 veces menos carbono en peso que las aleaciones sin azufre.
Utilizando esta información, junto con las relaciones y concentraciones conocidas de elementos tanto en la Tierra como en cuerpos no terrestres, el investigador postdoctoral Chenguang Sun de Dasgupta, Grewal y Rice diseñaron una simulación por computadora para encontrar el escenario más probable que produjera los volátiles de la Tierra. Encontrar la respuesta implicó variar las condiciones de inicio, ejecutar aproximadamente mil millones de escenarios y compararlos con las condiciones conocidas en el sistema solar actual.
"Lo que encontramos es que toda la evidencia (firmas isotópicas, la relación carbono-nitrógeno y las cantidades generales de carbono, nitrógeno y azufre en la tierra de silicato a granel) es consistente con un impacto de formación de la Luna que involucra a un planeta del tamaño de Marte con un núcleo rico en azufre", dijo Grewal.
Imagen de arriba: Un esquema que representa la formación de un planeta del tamaño de Marte (izquierda) y su diferenciación en un cuerpo con un núcleo metálico y un depósito de silicato suprayacente. El núcleo rico en azufre expulsa carbono, produciendo silicato con una alta proporción de carbono a nitrógeno. La colisión con la Tierra de un planeta de este tipo en forma de luna en crecimiento (derecha) puede explicar la abundancia en la Tierra tanto de agua como de los principales elementos esenciales de la vida como el carbono, el nitrógeno y el azufre, así como la similitud geoquímica entre la Tierra y la Luna. Crédito: Rajdeep Dasgupta
Dasgupta, el investigador principal en un esfuerzo financiado por la NASA llamado CLEVER Planets que está explorando cómo podrían unirse los elementos esenciales de la vida en planetas rocosos distantes, dijo que comprender mejor el origen de los elementos esenciales de la vida de la Tierra tiene implicaciones más allá de nuestro sistema solar.
"Este estudio sugiere que un planeta rocoso similar a la Tierra tiene más posibilidades de adquirir elementos esenciales para la vida si se forma y crece a partir de impactos gigantes con planetas que han muestreado diferentes bloques de construcción, quizás de diferentes partes de un disco protoplanetario", dijo Dasgupta.
"Esto elimina algunas condiciones fronterizas", dijo. "Muestra que los volátiles esenciales para la vida pueden llegar a las capas superficiales de un planeta, incluso si se produjeron en cuerpos planetarios que se sometieron a la formación de núcleos en condiciones muy diferentes".
Dasgupta dijo que no parece que el silicato a granel de la Tierra, por sí solo, podría haber alcanzado los presupuestos volátiles esenciales para la vida que produjeron nuestra biosfera, atmósfera e hidrosfera.
"Eso significa que podemos ampliar nuestra búsqueda de caminos que conduzcan a elementos volátiles que se unen en un planeta para sustentar la vida como la conocemos".
Artículo científico: Delivery of carbon, nitrogen, and sulfur to the silicate Earth by a giant impact
