BAGAIMANA SAMUDRA MAGMA DAPAT MENGUBAH HIDROGEN MENJADI AIR

Bayangkan Bumi muda setelah sebuah tumbukan raksasa: samudra global berupa batuan cair — samudra magma — di bawah atmosfer tebal yang sebagian besar terdiri atas hidrogen. Pertemukan hidrogen dengan oksida besi yang membawa oksigen berlebih, dan hidrogen akan mengambil oksigen itu dan menjadi air. Mungkinkah hal itu terjadi dalam skala planet, dan seberapa cepat? Tatsuya Yoshida, dari Earth-Life Science Institute di Institute of Science Tokyo, dan rekan-rekan di Universitas Hokkaido, Universitas Tohoku, serta National Institute of Information and Communications Technology Jepang membangun sebuah model untuk mencari tahu.

Besi yang terbelah dua di kedalaman

Dalam samudra magma yang dalam, pada tekanan mantel bawah, besi ferro (FeO, satu atom oksigen per atom besi) dapat mengalami disproporsionasi: ia terpecah menjadi besi logam dan besi ferri (FeO₁.₅, satu setengah atom oksigen per atom besi), mengikuti 3 FeO → 2 FeO₁.₅ + Fe. Logamnya tenggelam ke dalam inti dan konveksi menyebarkan besi ferri, sehingga lelehan menjadi, menurut studi-studi sebelumnya, kira-kira sama teroksidasinya dengan mantel masa kini. Seberapa cepat besi ferri itu akan bereaksi dengan hidrogen di atasnya, dan apa yang akan dilakukan atmosfer terhadap magma sebagai balasannya? Banyak model sebelumnya memperlakukan mantel dan magma sebagai persediaan oksigen tanpa dasar.

Kulit yang terus tenggelam

Model ini menggabungkan peresapan hidrogen ke dalam lelehan, reaksinya dengan besi ferri (H₂ + 2 FeO₁.₅ → H₂O + 2 FeO), pembagian air dan oksida antara udara, magma, dan mantel padat yang mengkristal di bawahnya, serta pendinginan planet. Udaranya bermula dengan sekitar sepuluh molekul hidrogen per molekul air. Jumlah dihitung dalam N_TO: satu N_TO adalah molekul hidrogen sebanyak jumlah molekul air di lautan masa kini. Seberapa baik magma dan mantel padat bercampur tidak diketahui, sehingga tim itu menjalankan dua kasus ekstrem: pertukaran bebas (Kasus 1), atau lelehan yang terperangkap di dalam mantel saat memadat (Kasus 2).

Hambatan utamanya ada di bagian atas magma. Hidrogen berdifusi sangat lambat melalui batuan cair, sehingga ia harus melintasi lapisan batas (boundary layer) tipis di permukaan. Lapisan itu tidak diam di tempat: didinginkan dari atas, ia makin rapat hingga tenggelam dan lelehan segar menggantikan tempatnya. Untuk samudra magma yang panas dan dalam — suhu permukaan 2.400 kelvin, tekanan 50 gigapascal di dasarnya, 400 watt panas yang lepas melalui setiap meter persegi — hal ini terjadi kira-kira setiap 70 detik.

Dalam waktu itu, hidrogen menjangkau kurang dari satu milimeter ke dalam lapisan setebal 19 milimeter. Tetapi pembaruan yang terus-menerus menjaga gradien hidrogen tetap curam, sehingga aliran masuknya tetap tinggi: di atas 0,1 N_TO per seribu tahun, rata-rata 0,35.

Modelnya: hidrogen berdifusi dari atmosfer ke dalam lapisan batas yang tipis, bereaksi dengan besi ferri membentuk air, dan lapisan itu terbalik masuk ke dalam samudra magma. Lebih dalam lagi, besi terpecah menjadi besi ferri dan logam. Kasus 1 dan 2 berbeda dalam cara magma bertukar materi dengan mantel padat. — Gambar 1, Yoshida et al. (2026), arXiv:2610.38503.

Sekitar sepuluh ribu tahun

Dalam contoh utama — total 10 N_TO hidrogen dan air, dengan magma yang menjangkau hingga 50 gigapascal — besi ferri terus terpakai, tetapi besi terus terpecah di dasar samudra magma dan menggantikannya, sehingga lelehan tetap kira-kira sama teroksidasinya. Permukaan mencapai kesetimbangan kimia dengan udara begitu udara memuat uap air kira-kira sebanyak hidrogen: setelah sekitar 0,01 juta tahun, atau 10.000 tahun. Pada saat itu, hidrogen, jika udara dan magma dihitung bersama, telah turun dari sekitar 5 N_TO menjadi di bawah 1, dan air, yang sebagian besar terlarut dalam lelehan, hampir berlipat dua. Para penulis mendapatkan kecepatan ini ketika samudra magma cukup dalam dan panas untuk menjangkau mantel bawah.

Samudra magma lalu membeku selama sekitar 2 juta tahun pada Kasus 1, di bawah atmosfer yang berfungsi sebagai selimut. Air lepas dari lelehan saat lelehan itu mengkristal: pada Kasus 1, lebih dari 80% di antaranya berakhir di udara.

Atas: tekanan hidrogen (hijau) dan uap air (biru) di atmosfer. Bawah: jumlah total, dalam N_TO. Kiri, Kasus 1; kanan, Kasus 2. Di dekat 10⁻² juta tahun, hidrogen anjlok dan air naik. — Gambar 6 (panel a–d), Yoshida et al. (2026), arXiv:2610.38503.

Udara melawan balik

Saat kristal terbentuk, kristal itu menyerap besi ferri secara tidak merata. Pada Kasus 1, besi ferri lebih condong ke mantel padat dan lelehan akan bergeser ke arah reduktif; air yang meninggalkan magma lalu bereaksi dengan besi ferro, dan udara mengoksidasi magma. Pada Kasus 2, besi ferri menumpuk di dalam lelehan begitu mantel atas, bagiannya yang paling dangkal, memadat; hidrogen lalu mereduksinya. Atmosfer berperan sebagai penyangga (buffer), dan kedua kasus berakhir dengan udara yang secara garis besar serupa. Matikan pembukuan oksigen ini, seperti yang dilakukan model-model sebelumnya, dan keduanya menyimpang secara substansial.

Samudra lebih dalam, air lebih banyak

Di seluruh simulasi, makin dalam samudra magma, makin banyak air yang dihasilkannya: tekanan yang lebih tinggi mendukung pemecahan besi. Untuk kedalaman dalam rentang yang disimpulkan dari cara unsur-unsur yang menyukai besi terbagi antara logam dan batuan — 28 hingga 53 gigapascal di dasar — lebih dari 70% hidrogen berakhir sebagai air. Jika Bumi muda mengumpulkan hidrogen sebanyak air yang kini dikandung seluruh Bumi di luar intinya, 1 hingga 10 N_TO, kimia ini dapat menjelaskan anggaran air Bumi, tulis para penulis.

Mars sesuai dengan kecenderungan ini. Samudra magma Mars, jika memang pernah ada, tidak dapat menjangkau lebih dalam daripada inti planet itu, pada 18 hingga 19 gigapascal, dan model ini lalu menghasilkan mantel yang jauh kurang teroksidasi dibandingkan mantel Bumi — konsisten dengan meteorit Mars, yang kimianya berada di dekat titik tempat besi logam dan oksida besi hidup berdampingan.

Apa yang dapat mengubah gambaran ini

Model ini mengasumsikan bahwa tetesan besi langsung jatuh ke dalam inti; jika tetap melayang karena konveksi, tetesan itu dapat membuat permukaan tetap reduktif dan membatasi produksi air. Eksperimen tekanan tinggi tidak sepakat tentang seberapa banyak besi ferri yang terbentuk. Data difusi berhenti di dekat 1.700 kelvin dan laju reaksinya berasal dari oksida besi padat, sehingga penyerapan hidrogen kemungkinan diremehkan. Dan model ini meninggalkan mantel dengan rasio besi ferri terhadap ferro sebesar 0,06 hingga 0,15, di atas nilai masa kini 0,02 hingga 0,06: proses-proses selanjutnya, seperti kedatangan belakangan materi yang kaya logam, harus menurunkannya.

Langit yang tetap kaya hidrogen

Begitu samudra magma membeku, uap air semestinya mengembun menjadi samudra di permukaan. Sisa hidrogen akan tetap berada di udara bersama gas-gas karbon dan nitrogen; para penulis menyarankan bahwa hidrogen itu dapat membantu membentuk metana, amonia, lalu senyawa-senyawa organik yang mungkin terkumpul di samudra pertama itu. Sebagian besar air samudra itu, dalam gambaran ini, bermula sebagai hidrogen di langit, yang tertarik ke dalam magma melalui sebuah kulit yang tenggelam dan memperbarui diri kira-kira setiap menit.