JINSI BAHARI YA MAGMA INGEWEZA KUGEUZA HIDROJENI KUWA MAJI

Ifikirie Dunia changa baada ya mgongano mkubwa: bahari ya mwamba ulioyeyuka inayoizunguka sayari nzima — bahari ya magma (magma ocean) — chini ya angahewa nzito iliyoundwa kwa sehemu kubwa na hidrojeni. Ilete hidrojeni ikutane na oksidi ya chuma inayobeba oksijeni ya ziada, na hidrojeni huichukua oksijeni hiyo na kuwa maji. Je, hilo lingeweza kutokea kwa kiwango cha sayari nzima, na kwa kasi gani? Tatsuya Yoshida, wa Earth-Life Science Institute katika Institute of Science Tokyo, na wenzake wa Hokkaido University, Tohoku University na National Institute of Information and Communications Technology ya Japani walijenga modeli ili kujua.

Chuma kilichogawanyika mara mbili kwenye kina

Katika bahari ya magma yenye kina kirefu, kwenye shinikizo za joho la chini (lower mantle), chuma-ferasi (ferrous iron, FeO, atomi moja ya oksijeni kwa kila atomi ya chuma) kinaweza kujigawanya (disproportionate): hugawanyika kuwa chuma cha metali na chuma-feriki (ferric iron, FeO₁.₅, atomi moja na nusu za oksijeni kwa kila atomi ya chuma), kufuatana na 3 FeO → 2 FeO₁.₅ + Fe. Metali huzama hadi kwenye kiini na mzunguko wa kipitisho (convection) hueneza chuma-feriki, na kuiacha magma, kwa mujibu wa tafiti za awali, ikiwa imeoksidishwa takriban kama joho la leo. Kingeweza kuathiriana kwa kasi gani na hidrojeni iliyo juu, na angahewa ingeifanyia nini magma kwa upande wake? Modeli nyingi za awali zilichukulia joho na magma kama chanzo cha oksijeni kisicho na mwisho.

Ngozi inayoendelea kuzama

Modeli inaunganisha hidrojeni inayopenya ndani ya magma, mmenyuko wake na chuma-feriki (H₂ + 2 FeO₁.₅ → H₂O + 2 FeO), ugawanaji wa maji na oksidi kati ya hewa, magma na joho gumu linaloganda chini yake, na upoaji wa sayari. Hewa huanza na takriban molekuli kumi za hidrojeni kwa kila molekuli ya maji. Viasi huhesabiwa kwa N_TO: N_TO moja ni idadi ya molekuli za hidrojeni sawa na idadi ya molekuli za maji katika bahari za leo. Jinsi magma na joho gumu vinavyochanganyika vizuri haijulikani, kwa hiyo timu iliendesha hali mbili za mwisho kabisa: ubadilishanaji huru (Hali 1), au magma iliyonaswa ndani ya joho linapoganda (Hali 2).

Kizuizi kikuu ni sehemu ya juu ya magma. Hidrojeni husambaa polepole sana ndani ya mwamba ulioyeyuka, kwa hiyo lazima ivuke tabaka-mpaka (boundary layer) jembamba kwenye uso. Tabaka hilo halibaki mahali pamoja: likipozwa kutoka juu, huzidi kuwa zito hadi linazama na magma mpya huchukua nafasi yake. Kwa bahari ya magma yenye joto kali na kina kirefu — joto la uso la kelvini 2,400, shinikizo la gigapaskali 50 kwenye sakafu yake, wati 400 za joto zikitoroka kupitia kila mita ya mraba — hili hutokea takriban kila sekunde 70.

Katika muda huo, hidrojeni hufika chini ya milimita moja ndani ya tabaka lenye unene wa milimita 19. Lakini upyaishaji wa mara kwa mara huweka mteremko wa hidrojeni kuwa mkali, kwa hiyo mtiririko wa kuingia hubaki juu: zaidi ya 0.1 N_TO kwa kila miaka elfu moja, 0.35 kwa wastani.

Modeli: hidrojeni husambaa kutoka angahewa kuingia tabaka-mpaka jembamba, huathiriana na chuma-feriki kutengeneza maji, na tabaka hilo hupinduka kuingia ndani ya bahari ya magma. Chini zaidi, chuma hugawanyika kuwa chuma-feriki na metali. Hali 1 na 2 zinatofautiana katika jinsi magma inavyobadilishana maada na joho gumu. — Kielelezo 1, Yoshida et al. (2026), arXiv:2610.38503.

Takriban miaka elfu kumi

Katika mfano mkuu — jumla ya 10 N_TO za hidrojeni na maji, magma ikifika chini hadi gigapaskali 50 — chuma-feriki hutumika, lakini chuma huendelea kugawanyika kwenye sakafu ya bahari ya magma na kukirejesha, kwa hiyo magma hubaki imeoksidishwa takriban kwa kiwango kilekile. Uso hufikia msawazo wa kikemia na hewa mara hewa inaposhikilia mvuke wa maji takriban kiasi sawa na hidrojeni: baada ya takriban miaka milioni 0.01, au miaka 10,000. Kufikia wakati huo, hidrojeni, ukihesabu hewa na magma pamoja, imeshuka kutoka takriban 5 N_TO hadi chini ya 1, na maji, ambayo mengi yameyeyuka ndani ya magma, yameongezeka karibu mara mbili. Waandishi hupata kasi hii pale bahari ya magma inapokuwa na kina na joto la kutosha kufika ndani ya joho la chini.

Kisha, katika Hali 1, bahari ya magma huganda katika kipindi cha takriban miaka milioni 2, chini ya angahewa inayofanya kazi kama blanketi. Maji hutoroka kutoka kwenye magma inapoganda kuwa fuwele: katika Hali 1, zaidi ya 80% ya maji hayo huishia hewani.

Juu: shinikizo la hidrojeni (kijani) na la mvuke wa maji (buluu) katika angahewa. Chini: viasi vya jumla, kwa N_TO. Kushoto, Hali 1; kulia, Hali 2. Karibu na miaka milioni 10⁻², hidrojeni huporomoka na maji hupanda. — Kielelezo 6 (paneli a–d), Yoshida et al. (2026), arXiv:2610.38503.

Hewa inarudisha msukumo

Fuwele zinapoundwa, huchukua chuma-feriki kwa njia isiyo sawa. Katika Hali 1, chuma hicho hupendelea joho gumu na magma ingeelekea kuwa ya kupunguza (reducing); maji yanayotoka kwenye magma kisha huathiriana na chuma-ferasi, na hewa huioksidisha magma. Katika Hali 2, chuma-feriki hurundikana ndani ya magma mara joho la juu, sehemu yake ya juu kabisa, linapoganda; kisha hidrojeni hukipunguza. Angahewa hufanya kazi kama kizuizi-msawazo (buffer), na hali zote mbili huishia na hewa inayofanana kwa ujumla. Zima uhasibu huu wa oksijeni, kama modeli za awali zilivyofanya, na hali hizo hutofautiana kwa kiasi kikubwa.

Bahari zenye kina zaidi, maji zaidi

Katika uendeshaji wote, kadiri bahari ya magma inavyokuwa na kina zaidi, ndivyo inavyotengeneza maji mengi zaidi: shinikizo la juu zaidi hupendelea mgawanyiko wa chuma. Kwa kina kilicho katika masafa yanayokisiwa kutokana na jinsi elementi zinazopenda chuma zilivyogawanywa kati ya metali na mwamba — gigapaskali 28 hadi 53 kwenye sakafu — zaidi ya 70% ya hidrojeni huishia kuwa maji. Ikiwa Dunia changa ilikusanya hidrojeni kiasi sawa na maji yanayoshikiliwa leo na Dunia nzima nje ya kiini chake, 1 hadi 10 N_TO, kemia hii ingeweza kueleza kiasi cha maji ya Dunia, waandishi wanaandika.

Mirihi inaendana na mwelekeo huu. Bahari ya magma ya Mirihi, ikiwa ilikuwepo, isingeweza kufika chini zaidi ya kiini cha sayari hiyo, kwenye gigapaskali 18 hadi 19, na modeli kisha hutoa joho lililooksidishwa kwa kiwango kidogo zaidi sana kuliko la Dunia — jambo linaloendana na vimondo vya Mirihi, ambavyo kemia yake iko karibu na nukta ambapo chuma cha metali na oksidi ya chuma huwepo pamoja.

Kinachoweza kubadilisha picha

Modeli inachukulia kwamba matone ya chuma huanguka hadi kwenye kiini mara moja; yakibaki yameelea kwa sababu ya mzunguko wa kipitisho, yangeweza kuuacha uso ukiwa wa kupunguza na kupunguza utengenezaji wa maji. Majaribio ya shinikizo la juu hayakubaliani kuhusu kiasi cha chuma-feriki kinachoundwa. Data za usambaaji huishia karibu na kelvini 1,700 na kasi ya mmenyuko inatokana na oksidi za chuma zilizo katika hali ngumu, kwa hiyo ufyonzaji wa hidrojeni pengine umekadiriwa chini ya ulivyo. Na modeli huliacha joho na uwiano wa chuma-feriki kwa chuma-ferasi wa 0.06 hadi 0.15, juu ya 0.02 hadi 0.06 wa leo: michakato ya baadaye, kama vile kuwasili kwa kuchelewa kwa maada yenye metali nyingi, ingepaswa kuushusha.

Anga lililobaki na hidrojeni nyingi

Mara bahari ya magma ilipoganda, mvuke wa maji ulipaswa kugeuka kuwa kiowevu na kuunda bahari juu ya uso. Hidrojeni iliyobaki ingebaki hewani pamoja na gesi za kaboni na naitrojeni; waandishi wanapendekeza kwamba ingeweza kusaidia kutengeneza methani, amonia, kisha misombo ya kikaboni ambayo huenda ilikusanyika katika bahari hiyo ya kwanza. Sehemu kubwa ya maji ya bahari hiyo, katika picha hii, ilianza kama hidrojeni angani, iliyovutwa ndani ya magma kupitia ngozi iliyozama na kujipyaisha takriban kila dakika moja.