मॅग्मा महासागर हायड्रोजनचे पाणी कसे करू शकला असता

एका महाकाय धडकेनंतरच्या तरुण पृथ्वीची कल्पना करा: वितळलेल्या खडकाचा एक जागतिक महासागर — एक मॅग्मा महासागर (magma ocean) — आणि त्यावर मुख्यतः हायड्रोजनने बनलेले दाट वातावरण. जादा ऑक्सिजन वाहणाऱ्या लोह ऑक्साइडच्या संपर्कात हायड्रोजन आणला, तर हायड्रोजन तो ऑक्सिजन घेतो आणि पाणी बनतो. हे ग्रहाच्या पातळीवर घडले असू शकेल का, आणि किती वेगाने? Institute of Science Tokyo मधील Earth-Life Science Institute चे Tatsuya Yoshida, आणि Hokkaido University, Tohoku University व जपानच्या National Institute of Information and Communications Technology मधील सहकाऱ्यांनी हे शोधण्यासाठी एक प्रतिमान तयार केले.

खोलवर दुभंगलेले लोह

खोल मॅग्मा महासागरात, अधःप्रावरणाच्या (lower mantle) दाबांवर, फेरस लोह (FeO, प्रत्येक लोह अणूमागे एक ऑक्सिजन अणू) असमप्रमाणन (disproportionation) पावू शकते: ते धातुरूप लोह आणि फेरिक लोह (FeO₁.₅, प्रत्येक लोह अणूमागे दीड ऑक्सिजन अणू) यांत विभागले जाते, 3 FeO → 2 FeO₁.₅ + Fe या समीकरणानुसार. धातू गाभ्यात बुडतो आणि संवहन फेरिक लोह पसरवते, त्यामुळे आधीच्या अभ्यासांनुसार वितळलेला खडक सुमारे आजच्या प्रावरणाइतकाच ऑक्सिडीभूत राहतो. ते वरच्या हायड्रोजनशी किती वेगाने अभिक्रिया करेल, आणि बदल्यात वातावरण मॅग्माचे काय करेल? आधीच्या अनेक प्रतिमानांनी प्रावरण आणि मॅग्मा यांना ऑक्सिजनचा अथांग पुरवठा मानले होते.

सतत बुडत राहणारी त्वचा

हे प्रतिमान अनेक गोष्टी एकत्र जोडते: वितळलेल्या खडकात झिरपणारा हायड्रोजन, फेरिक लोहाशी त्याची अभिक्रिया (H₂ + 2 FeO₁.₅ → H₂O + 2 FeO), हवा, मॅग्मा आणि खाली स्फटिकीभूत होणारे घन प्रावरण यांच्यात पाणी आणि ऑक्साइडची वाटणी, आणि ग्रहाचे थंड होणे. सुरुवातीला हवेत प्रत्येक पाण्याच्या रेणूमागे हायड्रोजनचे सुमारे दहा रेणू असतात. प्रमाणे N_TO मध्ये मोजली जातात: एक N_TO म्हणजे आजच्या महासागरांत पाण्याचे जितके रेणू आहेत तितके हायड्रोजन रेणू. मॅग्मा आणि घन प्रावरण किती चांगले मिसळतात हे अज्ञात आहे, म्हणून संघाने दोन टोकाच्या स्थिती चालवल्या: मुक्त देवाणघेवाण (स्थिती 1), किंवा प्रावरण घनरूप होताना त्यात अडकलेला वितळलेला खडक (स्थिती 2).

अडथळा मॅग्माच्या वरच्या भागात आहे. हायड्रोजन वितळलेल्या खडकातून अतिशय हळू पसरतो, म्हणून त्याला पृष्ठभागावरील एक पातळ सीमास्तर (boundary layer) पार करावा लागतो. हा स्तर जागीच राहत नाही: वरून थंड झाल्याने तो बुडेपर्यंत अधिकाधिक दाट होत जातो आणि ताजा वितळलेला खडक त्याची जागा घेतो. उष्ण, खोल मॅग्मा महासागरासाठी — पृष्ठभागाचे तापमान 2,400 केल्विन, तळाशी 50 गिगापास्कल दाब, प्रत्येक चौरस मीटरमधून बाहेर पडणारी 400 वॅट उष्णता — हे दर 70 सेकंदांनी वगैरे घडते.

त्या कालावधीत हायड्रोजन 19 मिलिमीटर जाड स्तरात एका मिलिमीटरपेक्षा कमी आत पोहोचतो. पण सततच्या नूतनीकरणामुळे हायड्रोजनचा प्रवणता-उतार (gradient) तीव्र राहतो, म्हणून आवक उच्च राहते: दर हजार वर्षांना 0.1 N_TO पेक्षा जास्त, सरासरी 0.35.

प्रतिमान: हायड्रोजन वातावरणातून एका पातळ सीमास्तरात विसरित होतो, फेरिक लोहाशी अभिक्रिया करून पाणी बनवतो, आणि तो स्तर उलटून मॅग्मा महासागरात मिसळतो. आणखी खोलवर लोह फेरिक लोह आणि धातू यांत विभागले जाते. स्थिती 1 आणि 2 यांच्यातील फरक म्हणजे मॅग्मा घन प्रावरणाशी द्रव्याची देवाणघेवाण कशी करतो. — आकृती 1, Yoshida et al. (2026), arXiv:2610.38503.

सुमारे दहा हजार वर्षे

मुख्य उदाहरणात — एकूण 10 N_TO हायड्रोजन आणि पाणी, 50 गिगापास्कलपर्यंत खोल पोहोचणारा मॅग्मा — फेरिक लोह खर्ची पडते, पण मॅग्मा महासागराच्या तळाशी लोहाचे विभाजन चालूच राहते आणि त्याची भरपाई करते, त्यामुळे वितळलेला खडक सुमारे तितकाच ऑक्सिडीभूत राहतो. हवेत हायड्रोजनइतकीच पाण्याची वाफ झाली की पृष्ठभाग हवेशी रासायनिक समतोल गाठतो: सुमारे 0.01 दशलक्ष वर्षांनंतर, म्हणजे 10,000 वर्षांनंतर. तोपर्यंत, हवा आणि मॅग्मा मिळून मोजल्यास, हायड्रोजन सुमारे 5 N_TO वरून 1 च्या खाली आलेला असतो, आणि पाणी — बहुतेक वितळलेल्या खडकात विरघळलेले — जवळजवळ दुप्पट झालेले असते. मॅग्मा महासागर अधःप्रावरणापर्यंत पोहोचण्याइतका खोल आणि उष्ण असेल, तेव्हा लेखकांना हा वेग मिळतो.

त्यानंतर, पांघरुणासारखे काम करणाऱ्या वातावरणाखाली, स्थिती 1 मध्ये मॅग्मा महासागर सुमारे 2 दशलक्ष वर्षांत गोठतो. वितळलेला खडक स्फटिकीभूत होताना त्यातून पाणी बाहेर पडते: स्थिती 1 मध्ये त्यापैकी 80% हून अधिक पाणी अखेरीस हवेत जाते.

वर: वातावरणातील हायड्रोजनचा (हिरवा) आणि पाण्याच्या वाफेचा (निळा) दाब. खाली: एकूण प्रमाणे, N_TO मध्ये. डावीकडे स्थिती 1; उजवीकडे स्थिती 2. 10⁻² दशलक्ष वर्षांजवळ हायड्रोजन कोसळतो आणि पाणी वाढते. — आकृती 6 (भाग a–d), Yoshida et al. (2026), arXiv:2610.38503.

हवा उलट रेटा देते

स्फटिक तयार होताना ते फेरिक लोह असमानपणे सामावून घेतात. स्थिती 1 मध्ये ते घन प्रावरणाकडे झुकते आणि वितळलेला खडक क्षपणकारी (reducing) दिशेने सरकेल; मग मॅग्मातून बाहेर पडणारे पाणी फेरस लोहाशी अभिक्रिया करते, आणि हवा मॅग्माचे ऑक्सिडीकरण करते. स्थिती 2 मध्ये, वरचे प्रावरण, म्हणजे प्रावरणाचा सर्वात उथळ भाग, घनरूप झाल्यावर, फेरिक लोह वितळलेल्या खडकात साचत जाते; मग हायड्रोजन त्याचे क्षपण करतो. वातावरण एक प्रतिरोधक (buffer) म्हणून काम करते, आणि दोन्ही स्थितींचा शेवट ढोबळमानाने सारख्याच हवेने होतो. आधीच्या प्रतिमानांप्रमाणे हा ऑक्सिजनचा हिशोब बंद केला, तर दोन्ही स्थिती लक्षणीयरीत्या वेगवेगळ्या दिशांनी जातात.

खोल महासागर, जास्त पाणी

सर्व चाचण्यांमध्ये मॅग्मा महासागर जितका खोल, तितके जास्त पाणी तो तयार करतो: उच्च दाब लोहाच्या विभाजनाला अनुकूल ठरतो. लोहप्रिय मूलद्रव्ये धातू आणि खडक यांच्यात कशी वाटली गेली यावरून अनुमानित केलेल्या खोलींच्या पल्ल्यासाठी — तळाशी 28 ते 53 गिगापास्कल — 70% हून अधिक हायड्रोजनचे अखेरीस पाणी होते. गाभ्याबाहेरील संपूर्ण पृथ्वीत आज जितके पाणी आहे, तितका हायड्रोजन तरुण पृथ्वीने गोळा केला असेल — 1 ते 10 N_TO — तर हे रसायनशास्त्र पृथ्वीवरील पाण्याच्या एकूण साठ्याचे स्पष्टीकरण देऊ शकते, असे लेखक लिहितात.

मंगळही या कलात बसतो. मंगळावर मॅग्मा महासागर असलाच, तर तो ग्रहाच्या गाभ्यापेक्षा, म्हणजे 18 ते 19 गिगापास्कलपेक्षा, खोल जाऊ शकत नव्हता, आणि मग प्रतिमान पृथ्वीच्या तुलनेत कितीतरी कमी ऑक्सिडीभूत प्रावरण देते — हे मंगळावरील उल्कापाषाणांशी सुसंगत आहे, ज्यांचे रसायनशास्त्र धातुरूप लोह आणि लोह ऑक्साइड एकत्र नांदतात त्या बिंदूजवळ आहे.

चित्र काय बदलू शकेल

प्रतिमान असे गृहीत धरते की लोहाचे थेंब तत्काळ गाभ्यात पडतात; संवहनाने तरंगत ठेवले गेले, तर ते पृष्ठभागाला क्षपणकारी ठेवू शकतील आणि पाण्याच्या निर्मितीला मर्यादा घालू शकतील. किती फेरिक लोह तयार होते, यावर उच्च-दाब प्रयोगांमध्ये एकमत नाही. विसरणाची (diffusion) माहिती सुमारे 1,700 केल्विनजवळ थांबते आणि अभिक्रियेचा दर घन लोह ऑक्साइडवरून घेतला आहे, म्हणून हायड्रोजनचे शोषण बहुधा कमी लेखले गेले आहे. आणि प्रतिमान प्रावरणात फेरिक-ते-फेरस लोहाचे गुणोत्तर 0.06 ते 0.15 ठेवते, जे आजच्या 0.02 ते 0.06 पेक्षा जास्त आहे: नंतरच्या प्रक्रियांनी — उदाहरणार्थ धातुसमृद्ध द्रव्याचे उशिरा आगमन — ते कमी करावे लागले असेल.

हायड्रोजनने समृद्ध राहिलेले आकाश

मॅग्मा महासागर गोठल्यावर पाण्याची वाफ घनीभूत होऊन पृष्ठभागावर महासागर तयार व्हायला हवा होता. उरलेला हायड्रोजन कार्बन आणि नायट्रोजनच्या वायूंसोबत हवेत राहिला असता; लेखक सुचवतात की त्याने मिथेन, अमोनिया आणि मग सेंद्रिय संयुगे बनवायला मदत केली असू शकेल, जी कदाचित त्या पहिल्या महासागरात साचली असतील. या चित्रानुसार, त्या महासागरातील पाण्याचा मोठा वाटा आकाशातील हायड्रोजन म्हणून सुरू झाला, जो दर मिनिटाला वगैरे बुडणाऱ्या आणि स्वतःचे नूतनीकरण करणाऱ्या त्वचेतून मॅग्मामध्ये खेचला गेला.