روزی که هستهٔ زمین جوّش را بلعید

جوّ زمین در میان سیاره‌های سنگی عجیب است. زهره و مریخ، با وجود فشارهایی که تفاوت عظیمی دارند، هر دو هوایی دارند که از حدود 95% دی‌اکسید کربن و چند درصد نیتروژن ساخته شده است. جوّ زمین از دی‌اکسید کربن فقیر و از اکسیژن غنی است. بخشی از این تفاوت حاصل میلیاردها سال زمین‌شناسی و حیات است. اما شاید سیاره‌ها از همان آغاز ذخایر متفاوتی از عناصری داشته‌اند که جوّ و موجودات زنده را می‌سازند: هیدروژن، کربن و نیتروژن.

ورا اسپارمن از دانشگاه کپنهاگ و آندرس یوهانسن از کپنهاگ و دانشگاه لوند در سوئد، به نقطهٔ آغاز بازگشتند: زمانی که زمین هنوز در حال رشد بود، درون قرص گاز و غبارِ پیرامون خورشید جوان.

بارانی از آهن در دریایی از ماگما

در آن مرحله، گرمای آزادشده از مواد ورودی، گوشتهٔ سیاره را مذاب نگه می‌داشت. زمینِ در حال رشد در یک اقیانوس ماگمای سراسری پیچیده بود. هر تکهٔ تازه از ماده، سنگی با خود می‌آورد که به ماگما می‌پیوست، و فلز آهن-نیکلی که به‌صورت قطره‌هایی در آن فرو می‌رفت — با سرعتی حدود یک متر بر ثانیه — تا هسته را بسازد. گازهای جوّ در ماگما حل می‌شدند و برخی از آن‌ها نیز به نوبهٔ خود در فلزِ در حال سقوط حل می‌شدند. بدین ترتیب باران آهن می‌توانست آن‌ها را تا اعماق ببرد.

نویسندگان این تبادل میان جوّ، اقیانوس ماگما و هسته را لایه به لایه مدل‌سازی کردند، از هسته‌ای اولیه به جرم 2% جرم زمین تا 64% — تقریباً پیش‌زمین پیش از برخورد عظیمی که ماه را پدید آورد. مقادیر کل هیدروژن، کربن و نیتروژن طوری تنظیم شد که با برآوردهای زمین امروزی، از جمله مقادیری که گمان می‌رود در هسته‌اش پنهان باشد، همخوان باشد.

دو راه برای ساختن یک سیاره

آن‌ها دو شیوهٔ رشد را مقایسه کردند:

• برافزایش سنگ‌ریزه‌ای (pebble accretion): زمین سنگ‌ریزه‌هایی به اندازهٔ میلی‌متر تا سانتی‌متر را جارو می‌کند. با گرم شدن پیرامون سیاره، این دانه‌های کوچک پیش از رسیدن، اجزای فرّار خود را از دست می‌دهند. رسیدن هیدروژن تقریباً بی‌درنگ متوقف می‌شود؛ کربن و نیتروژن در حدود جرم مریخ. مواد فرّار زود می‌رسند.
• برافزایش سیاره‌کی (planetesimal accretion): زمین از اجرامی با پهنای صدها متر یا بیشتر رشد می‌کند که مواد فرّار خود را در درونشان حفظ می‌کنند. رساندن پیوسته است.

رسیدن زود، دفن عمیق

معلوم شد زمان‌بندی اهمیت زیادی دارد. با رسیدن زودهنگام، هر تکه فلزی که پس از آن فرو می‌بارد، ماگما را پیوسته می‌شوید. در سناریوی سنگ‌ریزه‌ای، حدود 70% هیدروژن و 69% کربن سر از هسته درمی‌آورند. با رساندن پیوسته، هسته حداکثر حدود نیمی را می‌گیرد و گوشته و جوّ تقریباً دو برابر نگه می‌دارند. این سهم‌ها از همان مجموعهٔ اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی می‌آید که نویسندگان مرجع خود گرفته‌اند؛ چنان‌که خواهیم دید، مجموعه‌ای دیگر عددهایی بسیار متفاوت می‌دهد.

سرنوشت هیدروژن، کربن و نیتروژن در حالی که پیش‌زمینی ساخته‌شده از سنگ‌ریزه‌ها از 0.02 تا 0.64 جرم زمین رشد می‌کند: هسته (سرخ تیره)، اقیانوس ماگما (نارنجی)، جوّ (آبی). — شکل 4 (ردیف بالا)، Sparrman و Johansen (2026)، arXiv:2610.27788.

انحلال‌پذیری — اینکه ماگما در فشاری معیّن چه مقدار از یک گاز را می‌تواند در خود حل کند — تعیین می‌کند چه کسی جان به در می‌برد: فقط آنچه در ماگما حل شده است می‌تواند به دام قطره‌های فلزی بیفتد که از میان آن فرو می‌روند. آب به‌آسانی حل می‌شود، پس هیدروژن در معرض باران آهن قرار می‌گیرد و به‌خوبی فرو می‌رود. مونوکسید کربن خیلی بدتر حل می‌شود، پس در هر لحظه بیشترِ کربن بالا در هوا می‌ماند؛ اما تمام فلزی که پس از آن می‌رسد پیوسته سهم حل‌شده را خالی می‌کند و جوّ بی‌درنگ آن را دوباره پر می‌کند، و در پایان همان 69% کربن پایین رفته است. نیتروژن نمونهٔ وارونه است: میل آن به فلز بیشتر از هیدروژن است، اما تنها 4% آن به هسته می‌رسد — چنان بد حل می‌شود که تقریباً هرگز آنجا نیست که باران آهن از آن می‌گذرد، و 93% آن در جوّ می‌ماند. حل‌نشدن محافظت می‌کند.

آسمانی سنگین از مونوکسید کربن

آنچه در پایان سناریوی سنگ‌ریزه‌ای باقی می‌ماند جوّی آغازین و غلیظ با حدود 760 بار است — هوایی که تنفس می‌کنیم در سطح دریا 1 بار وزن دارد و هوای زهره 92 بار. کربن بر آن چیره است، بیشتر به شکل مونوکسید کربن (حدود 710 بار)، همراه با حدود 39 بار هیدروژن و 1.7 بار نیتروژن. کربنی که از هسته گریخته و سر از این جوّ درآورده تقریباً 15 برابر دی‌اکسید کربن جوّ امروز زهره است؛ نیتروژن آن هم کم‌وبیش به اندازهٔ نیتروژن زهره است. سناریوی سیاره‌کی آسمانی باز هم سنگین‌تر می‌دهد، حدود 1,350 بار، با ترکیبی مشابه.

جوّ پیش‌زمینِ ساخته‌شده از سنگ‌ریزه‌ها در حین رشد: وقتی رساندن متوقف شود، باران آهن همچنان هیدروژن و کربن را بیرون می‌کشد و مونوکسید کربن (خط‌چین سرخ) چیره می‌شود. — شکل 7 (بالا)، Sparrman و Johansen (2026)، arXiv:2610.27788.

پس از پایان برافزایش، نویسندگان انتظار دارند گوشته اکسید شود و جوّ با چگالش اقیانوس‌ها به سوی آب و دی‌اکسید کربن تغییر کند. با تعمیم به جرم زهره، مدل آغازی مشابه می‌دهد، حدود 500 بار مونوکسید کربن؛ نویسندگان احتمال می‌دهند که زمین‌ساخت صفحه‌ای زمین، با دفن کربن، و نه زایشی متفاوت، بتواند توضیح دهد چرا این دو سیاره از هم جدا شدند.

زمین از کدام راه رشد کرد؟

در اصل، مقادیر باقی‌مانده می‌توانند آشکار کنند زمین چگونه شکل گرفته است. مدل سنگ‌ریزه‌ای با داده‌های مرجع تنها مدلی است که با برآوردهای منتشرشده برای هر سه عنصر در گوشتهٔ امروز همخوان است. اما این برآوردها تقریباً به همان اندازهٔ مدل‌ها با هم ناسازگارند، و اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی دربارهٔ چگونگی تقسیم این عناصر میان فلز و سنگ چندین مرتبهٔ بزرگی با هم تفاوت دارند — با یک مجموعهٔ دیگر از داده‌ها، تمام هیدروژن سر از هسته درمی‌آورد. انحلال‌پذیری مونوکسید کربن در ماگما تأثیرگذارترین و ناشناخته‌ترین ورودی است. نویسندگان نتیجه می‌گیرند که آزمایش‌های بهتر می‌توانند ترکیب درون زمین را به سندی از چگونگی ساخته شدن سیاره بدل کنند.