मैग्मा महासागर हाइड्रोजन को पानी में कैसे बदल सकता था

एक विशाल टक्कर के बाद की युवा पृथ्वी की कल्पना कीजिए: पिघली चट्टान का एक वैश्विक महासागर — एक मैग्मा महासागर — जिसके ऊपर ज़्यादातर हाइड्रोजन से बना एक घना वायुमंडल है। हाइड्रोजन को ऐसे लौह ऑक्साइड के संपर्क में लाइए जिसमें अतिरिक्त ऑक्सीजन हो, तो हाइड्रोजन वह ऑक्सीजन ले लेता है और पानी बन जाता है। क्या ऐसा ग्रहीय पैमाने पर हो सकता था, और कितनी तेज़ी से? इंस्टिट्यूट ऑफ़ साइंस टोक्यो के अर्थ-लाइफ़ साइंस इंस्टिट्यूट के Tatsuya Yoshida और होक्काइडो विश्वविद्यालय, तोहोकू विश्वविद्यालय तथा जापान के नेशनल इंस्टिट्यूट ऑफ़ इन्फ़ॉर्मेशन एंड कम्युनिकेशंस टेक्नोलॉजी के उनके सहयोगियों ने यह जानने के लिए एक मॉडल बनाया।

गहराई में दो हिस्सों में बँटा लोहा

एक गहरे मैग्मा महासागर में, निचले मैंटल (mantle) के दाबों पर, फ़ेरस लोहा (FeO, प्रति लौह परमाणु एक ऑक्सीजन परमाणु) असमानुपातन (disproportionation) से गुज़र सकता है: यह 3 FeO → 2 FeO₁.₅ + Fe के अनुसार धात्विक लोहे और फ़ेरिक लोहे (FeO₁.₅, प्रति लौह परमाणु डेढ़ ऑक्सीजन परमाणु) में बँट जाता है। धातु क्रोड में डूब जाती है और संवहन फ़ेरिक लोहे को फैला देता है, जिससे पहले के अध्ययनों के अनुसार पिघला पदार्थ लगभग आज के मैंटल जितना ही ऑक्सीकृत रहता है। ऊपर के हाइड्रोजन से यह कितनी तेज़ी से प्रतिक्रिया करेगा, और बदले में वायुमंडल मैग्मा के साथ क्या करेगा? पहले के कई मॉडल मैंटल और मैग्मा को ऑक्सीजन का अथाह भंडार मानते थे।

एक झिल्ली जो डूबती ही रहती है

मॉडल इन सबको एक साथ जोड़ता है: हाइड्रोजन का पिघले पदार्थ में रिसना, फ़ेरिक लोहे के साथ उसकी प्रतिक्रिया (H₂ + 2 FeO₁.₅ → H₂O + 2 FeO), पानी और ऑक्साइडों का हवा, मैग्मा और नीचे क्रिस्टलित होते ठोस मैंटल के बीच बँटवारा, और ग्रह का ठंडा होना। शुरुआत में हवा में प्रति पानी अणु लगभग दस हाइड्रोजन अणु होते हैं। मात्राएँ N_TO में गिनी जाती हैं: एक N_TO उतने हाइड्रोजन अणुओं के बराबर है जितने आज के महासागरों में पानी के अणु हैं। मैग्मा और ठोस मैंटल कितनी अच्छी तरह मिलते हैं, यह अज्ञात है, इसलिए टीम ने दो चरम स्थितियाँ चलाईं: मुक्त आदान-प्रदान (स्थिति 1), या मैंटल के ठोस होते समय उसमें फँसा पिघला पदार्थ (स्थिति 2)।

अड़चन मैग्मा के ऊपरी हिस्से में है। हाइड्रोजन पिघली चट्टान में बहुत ही धीरे-धीरे विसरित होता है, इसलिए उसे सतह पर एक पतली सीमा परत (boundary layer) पार करनी होती है। वह परत टिकी नहीं रहती: ऊपर से ठंडी होकर वह तब तक घनी होती जाती है जब तक डूब न जाए, और ताज़ा पिघला पदार्थ उसकी जगह ले लेता है। एक गर्म, गहरे मैग्मा महासागर के लिए — 2,400 केल्विन का सतही तापमान, तल पर 50 गीगापास्कल का दाब, हर वर्ग मीटर से 400 वाट ऊष्मा का निकलना — यह लगभग हर 70 सेकंड में होता है।

उस समय में हाइड्रोजन 19 मिलीमीटर मोटी परत में एक मिलीमीटर से भी कम भीतर पहुँचता है। पर लगातार नवीकरण हाइड्रोजन की प्रवणता को खड़ी बनाए रखता है, इसलिए अंतर्वाह ऊँचा रहता है: प्रति हज़ार वर्ष 0.1 N_TO से ऊपर, औसतन 0.35।

मॉडल: हाइड्रोजन वायुमंडल से एक पतली सीमा परत में विसरित होता है, फ़ेरिक लोहे से प्रतिक्रिया करके पानी बनाता है, और परत पलटकर मैग्मा महासागर में चली जाती है। और गहराई में लोहा फ़ेरिक लोहे और धातु में बँटता है। स्थितियाँ 1 और 2 इसमें भिन्न हैं कि मैग्मा ठोस मैंटल के साथ पदार्थ का आदान-प्रदान कैसे करता है। — चित्र 1, Yoshida et al. (2026), arXiv:2610.38503.

लगभग दस हज़ार वर्ष

मुख्य उदाहरण में — कुल मिलाकर 10 N_TO हाइड्रोजन और पानी, मैग्मा 50 गीगापास्कल तक नीचे पहुँचता हुआ — फ़ेरिक लोहा ख़र्च होता है, पर मैग्मा महासागर के तल पर लोहा बँटता रहता है और उसकी भरपाई करता है, इसलिए पिघला पदार्थ लगभग उतना ही ऑक्सीकृत रहता है। सतह हवा के साथ रासायनिक साम्य में तब पहुँचती है जब हवा में लगभग उतनी ही जलवाष्प हो जितना हाइड्रोजन: लगभग 0.01 मिलियन वर्ष, यानी 10,000 वर्षों बाद। तब तक, हवा और मैग्मा को मिलाकर गिनें तो, हाइड्रोजन लगभग 5 N_TO से गिरकर 1 से नीचे आ चुका होता है, और पानी, जो ज़्यादातर पिघले पदार्थ में घुला है, लगभग दोगुना हो चुका होता है। लेखकों को यह गति तब मिलती है जब मैग्मा महासागर इतना गहरा और गर्म हो कि निचले मैंटल तक पहुँच जाए।

फिर स्थिति 1 में मैग्मा महासागर लगभग 20 लाख वर्षों में जम जाता है, एक ऐसे वायुमंडल के नीचे जो कंबल का काम करता है। क्रिस्टलित होते समय पानी पिघले पदार्थ से निकल जाता है: स्थिति 1 में इसका 80% से अधिक अंततः हवा में पहुँचता है।

ऊपर: वायुमंडल में हाइड्रोजन (हरा) और जलवाष्प (नीला) का दाब। नीचे: कुल मात्राएँ, N_TO में। बाएँ, स्थिति 1; दाएँ, स्थिति 2। 10⁻² मिलियन वर्ष के पास हाइड्रोजन ढह जाता है और पानी बढ़ता है। — चित्र 6 (पैनल a–d), Yoshida et al. (2026), arXiv:2610.38503.

हवा पलटकर धकेलती है

जैसे-जैसे क्रिस्टल बनते हैं, वे फ़ेरिक लोहे को असमान रूप से ग्रहण करते हैं। स्थिति 1 में यह ठोस मैंटल को तरजीह देता है और पिघला पदार्थ अपचायक (reducing) होने की ओर खिसकता; तब मैग्मा से निकलता पानी फ़ेरस लोहे से प्रतिक्रिया करता है, और हवा मैग्मा को ऑक्सीकृत करती है। स्थिति 2 में, ऊपरी मैंटल — उसका सबसे उथला हिस्सा — के ठोस होते ही फ़ेरिक लोहा पिघले पदार्थ में जमा होने लगता है; तब हाइड्रोजन उसे अपचयित करता है। वायुमंडल एक बफ़र का काम करता है, और दोनों स्थितियाँ मोटे तौर पर मिलती-जुलती हवा के साथ ख़त्म होती हैं। ऑक्सीजन का यह हिसाब-किताब बंद कर दीजिए, जैसा पहले के मॉडल करते थे, तो दोनों में काफ़ी अंतर आ जाता है।

गहरे महासागर, अधिक पानी

सभी गणनाओं में, मैग्मा महासागर जितना गहरा, वह उतना अधिक पानी बनाता है: ऊँचा दाब लोहे के बँटने के पक्ष में है। उन गहराइयों के लिए जो इस बात से अनुमानित की गई हैं कि लौह-प्रेमी तत्व धातु और चट्टान के बीच कैसे बँटे — तल पर 28 से 53 गीगापास्कल — 70% से अधिक हाइड्रोजन अंततः पानी बन जाता है। लेखक लिखते हैं कि अगर युवा पृथ्वी ने उतना हाइड्रोजन इकट्ठा किया जितना पानी आज क्रोड के बाहर की पूरी पृथ्वी में है, यानी 1 से 10 N_TO, तो यह रसायन पृथ्वी के पानी के हिसाब-किताब को समझा सकता है।

मंगल भी इस प्रवृत्ति में फ़िट बैठता है। मंगल का मैग्मा महासागर, अगर रहा हो, ग्रह के क्रोड से अधिक गहरा नहीं पहुँच सकता था, यानी 18 से 19 गीगापास्कल, और तब मॉडल पृथ्वी की तुलना में कहीं कम ऑक्सीकृत मैंटल देता है — जो मंगल के उल्कापिंडों से मेल खाता है, जिनका रसायन उस बिंदु के पास है जहाँ धात्विक लोहा और लौह ऑक्साइड साथ-साथ मौजूद रहते हैं।

क्या तस्वीर बदल सकता है

मॉडल मानता है कि लोहे की बूँदें तुरंत क्रोड में गिर जाती हैं; अगर संवहन उन्हें निलंबित बनाए रखे, तो वे सतह को अपचायक छोड़ सकती हैं और पानी बनना सीमित कर सकती हैं। उच्च-दाब प्रयोग इस पर असहमत हैं कि कितना फ़ेरिक लोहा बनता है। विसरण के आँकड़े लगभग 1,700 केल्विन पर रुक जाते हैं और प्रतिक्रिया-दर ठोस लौह ऑक्साइडों से ली गई है, इसलिए हाइड्रोजन का अवशोषण शायद कम आँका गया है। और मॉडल मैंटल में फ़ेरिक से फ़ेरस लोहे का अनुपात 0.06 से 0.15 छोड़ता है, जो आज के 0.02 से 0.06 से ऊपर है: बाद की प्रक्रियाओं, जैसे धातु-समृद्ध पदार्थ के देर से आगमन, को इसे घटाना पड़ा होगा।

एक आकाश जो हाइड्रोजन से भरपूर रहा

मैग्मा महासागर के जमने के बाद जलवाष्प को संघनित होकर सतह पर एक महासागर बन जाना चाहिए था। बचा हुआ हाइड्रोजन कार्बन और नाइट्रोजन गैसों के साथ हवा में रहता; लेखकों का सुझाव है कि इसने मीथेन, अमोनिया और फिर ऐसे कार्बनिक यौगिक बनाने में मदद की होगी जो शायद उस पहले महासागर में इकट्ठा हुए। इस तस्वीर में, उस महासागर के पानी का एक बड़ा हिस्सा आकाश के हाइड्रोजन के रूप में शुरू हुआ, जिसे एक ऐसी झिल्ली के ज़रिए मैग्मा में खींचा गया जो लगभग हर मिनट डूबती और ख़ुद को नया करती रहती थी।