ஒரு மாக்மா கடல் ஹைட்ரஜனை எப்படி நீராக மாற்றக்கூடும்

ஒரு மாபெரும் மோதலுக்குப் பிந்தைய இளம் பூமியைக் கற்பனை செய்யுங்கள்: பெரும்பாலும் ஹைட்ரஜனாலான அடர்த்தியான வளிமண்டலத்தின் கீழ், கோள் முழுவதும் பரவிய உருகிய பாறைக் கடல் — ஒரு மாக்மா கடல் (magma ocean). கூடுதல் ஆக்சிஜனைக் கொண்ட ஓர் இரும்பு ஆக்சைடுடன் ஹைட்ரஜனைத் தொடர்புகொள்ளச் செய்தால், ஹைட்ரஜன் ஆக்சிஜனை எடுத்துக்கொண்டு நீராகிறது. இது கோள் அளவில் நடந்திருக்க முடியுமா, எவ்வளவு வேகமாக? டோக்கியோ அறிவியல் நிறுவனத்தின் புவி-உயிர் அறிவியல் நிறுவனத்தைச் (Earth-Life Science Institute) சேர்ந்த Tatsuya Yoshida-வும், ஹொக்கைடோ பல்கலைக்கழகம், டோஹோகு பல்கலைக்கழகம், ஜப்பானின் தேசியத் தகவல் மற்றும் தொடர்புத் தொழில்நுட்ப நிறுவனம் ஆகியவற்றின் சக ஆய்வாளர்களும் இதை அறிய ஒரு மாதிரியை உருவாக்கினர்.

ஆழத்தில் இரண்டாகப் பிரியும் இரும்பு

ஆழமான மாக்மா கடலில், கீழ் மேன்டிலின் அழுத்தங்களில், ஃபெரஸ் இரும்பு (FeO, ஓர் இரும்பு அணுவுக்கு ஓர் ஆக்சிஜன் அணு) சமமற்றுப் பிரியக்கூடும் (disproportionate): 3 FeO → 2 FeO₁.₅ + Fe என்பதன்படி, அது உலோக இரும்பாகவும் ஃபெரிக் இரும்பாகவும் (FeO₁.₅, ஓர் இரும்பு அணுவுக்கு ஒன்றரை ஆக்சிஜன் அணுக்கள்) பிரிகிறது. உலோகம் உள்ளகத்துக்குள் மூழ்குகிறது; வெப்பச்சலனம் ஃபெரிக் இரும்பைப் பரப்புகிறது; முந்தைய ஆய்வுகளின்படி, அது உருகுபொருளை இன்றைய மேன்டில் அளவுக்கு ஆக்சிஜனேற்றப்பட்டதாக விடுகிறது. மேலே உள்ள ஹைட்ரஜனுடன் அது எவ்வளவு வேகமாக வினைபுரியும், பதிலுக்கு வளிமண்டலம் மாக்மாவுக்கு என்ன செய்யும்? முந்தைய பல மாதிரிகள் மேன்டிலையும் மாக்மாவையும் அடியில்லாத ஆக்சிஜன் இருப்பாகக் கருதின.

தொடர்ந்து மூழ்கும் ஒரு தோல்

மாதிரி, உருகுபொருளுக்குள் ஹைட்ரஜன் கசிவதையும், ஃபெரிக் இரும்புடன் அதன் வினையையும் (H₂ + 2 FeO₁.₅ → H₂O + 2 FeO), காற்று, மாக்மா, கீழே படிகமாகும் திண்ம மேன்டில் ஆகியவற்றுக்கு இடையே நீரும் ஆக்சைடுகளும் பகிரப்படுவதையும், கோள் குளிர்வதையும் இணைக்கிறது. காற்று, ஒரு நீர் மூலக்கூறுக்குச் சுமார் பத்து ஹைட்ரஜன் மூலக்கூறுகளுடன் தொடங்குகிறது. அளவுகள் N_TO-வில் எண்ணப்படுகின்றன: ஒரு N_TO என்பது இன்றைய கடல்களில் உள்ள நீர் மூலக்கூறுகளின் எண்ணிக்கைக்குச் சமமான ஹைட்ரஜன் மூலக்கூறுகள். மாக்மாவும் திண்ம மேன்டிலும் எவ்வளவு நன்றாகக் கலக்கின்றன என்பது தெரியாததால், குழு இரண்டு எல்லை நிலைகளை இயக்கியது: தடையற்ற பரிமாற்றம் (நிலை 1), அல்லது திண்மமாகும்போது மேன்டிலுக்குள் சிக்கும் உருகுபொருள் (நிலை 2).

இடுக்கு, மாக்மாவின் மேற்பகுதி. ஹைட்ரஜன் உருகிய பாறைக்குள் மிக மெதுவாகவே பரவுகிறது; எனவே அது மேற்பரப்பிலுள்ள மெல்லிய எல்லை அடுக்கைக் (boundary layer) கடக்க வேண்டும். அந்த அடுக்கு அப்படியே நிற்பதில்லை: மேலிருந்து குளிர்ந்து, அது அடர்த்தியாகி, இறுதியில் மூழ்குகிறது; புதிய உருகுபொருள் அதன் இடத்தைப் பிடிக்கிறது. சூடான, ஆழமான ஒரு மாக்மா கடலுக்கு — மேற்பரப்பு வெப்பநிலை 2,400 கெல்வின், அடியில் 50 ஜிகாபாஸ்கல் அழுத்தம், ஒவ்வொரு சதுர மீட்டர் வழியாகவும் 400 வாட் வெப்பம் வெளியேறுதல் — இது ஏறக்குறைய ஒவ்வொரு 70 வினாடிக்கும் ஒருமுறை நிகழ்கிறது.

அந்த நேரத்தில், 19 மில்லிமீட்டர் தடிமனுள்ள அடுக்குக்குள் ஹைட்ரஜன் ஒரு மில்லிமீட்டருக்கும் குறைவாகவே ஊடுருவுகிறது. ஆனால் இடையறாத புதுப்பித்தல் ஹைட்ரஜன் சரிவைச் செங்குத்தாக வைத்திருக்கிறது; எனவே உள்வரவு உயர்வாகவே இருக்கிறது: ஆயிரம் ஆண்டுகளுக்கு 0.1 N_TO-க்கு மேல், சராசரியாக 0.35.

மாதிரி: ஹைட்ரஜன் வளிமண்டலத்திலிருந்து ஒரு மெல்லிய எல்லை அடுக்குக்குள் பரவி, ஃபெரிக் இரும்புடன் வினைபுரிந்து நீரை உருவாக்குகிறது; அடுக்கு கவிழ்ந்து மாக்மா கடலுக்குள் செல்கிறது. மேலும் ஆழத்தில், இரும்பு ஃபெரிக் இரும்பாகவும் உலோகமாகவும் பிரிகிறது. நிலை 1, 2 ஆகியவை, மாக்மா திண்ம மேன்டிலுடன் பொருளைப் பரிமாறும் விதத்தில் வேறுபடுகின்றன. — படம் 1, Yoshida et al. (2026), arXiv:2610.38503.

சுமார் பத்தாயிரம் ஆண்டுகள்

முதன்மை எடுத்துக்காட்டில் — மொத்தம் 10 N_TO ஹைட்ரஜனும் நீரும், 50 ஜிகாபாஸ்கல் வரை இறங்கும் மாக்மா — ஃபெரிக் இரும்பு செலவாகிறது; ஆனால் மாக்மா கடலின் அடியில் இரும்பு தொடர்ந்து பிரிந்து அதை ஈடுசெய்வதால், உருகுபொருள் ஏறக்குறைய அதே அளவு ஆக்சிஜனேற்றப்பட்டதாக இருக்கிறது. காற்றில் ஹைட்ரஜன் அளவுக்கு நீராவி சேர்ந்தவுடன், மேற்பரப்பு காற்றுடன் வேதிச் சமநிலையை அடைகிறது: சுமார் 0.01 மில்லியன் ஆண்டுகளுக்குப் பிறகு, அதாவது 10,000 ஆண்டுகளுக்குப் பிறகு. அதற்குள், காற்றையும் மாக்மாவையும் சேர்த்துக் கணக்கிட்டால், ஹைட்ரஜன் சுமார் 5 N_TO-இலிருந்து 1-க்குக் கீழே இறங்கியிருக்கிறது; பெரும்பாலும் உருகுபொருளில் கரைந்துள்ள நீர் ஏறக்குறைய இரட்டிப்பாகியிருக்கிறது. மாக்மா கடல் கீழ் மேன்டில் வரை எட்டும் அளவுக்கு ஆழமாகவும் சூடாகவும் இருக்கும்போது இந்த வேகம் கிடைப்பதாக ஆசிரியர்கள் கூறுகிறார்கள்.

பிறகு நிலை 1-இல் மாக்மா கடல், ஒரு போர்வைபோலச் செயல்படும் வளிமண்டலத்தின் கீழ், சுமார் 2 மில்லியன் ஆண்டுகளில் உறைகிறது. உருகுபொருள் படிகமாகும்போது நீர் அதிலிருந்து வெளியேறுகிறது: நிலை 1-இல், அதில் 80%-க்கும் மேல் இறுதியில் காற்றில் சேர்கிறது.

மேலே: வளிமண்டலத்திலுள்ள ஹைட்ரஜன் (பச்சை), நீராவி (நீலம்) ஆகியவற்றின் அழுத்தம். கீழே: மொத்த அளவுகள், N_TO-வில். இடது, நிலை 1; வலது, நிலை 2. 10⁻² மில்லியன் ஆண்டுகளுக்கு அருகில், ஹைட்ரஜன் சரிகிறது, நீர் உயர்கிறது. — படம் 6 (பலகங்கள் a–d), Yoshida et al. (2026), arXiv:2610.38503.

காற்று எதிர்த்துத் தள்ளுகிறது

படிகங்கள் உருவாகும்போது, அவை ஃபெரிக் இரும்பைச் சமமின்றி எடுத்துக்கொள்கின்றன. நிலை 1-இல், அது திண்ம மேன்டிலை விரும்புகிறது; உருகுபொருள் ஒடுக்கும் (reducing) நிலையை நோக்கி நகரும்; மாக்மாவை விட்டு வெளியேறும் நீர் பிறகு ஃபெரஸ் இரும்புடன் வினைபுரிகிறது; காற்று மாக்மாவை ஆக்சிஜனேற்றுகிறது. நிலை 2-இல், மேன்டிலின் மிக ஆழமற்ற பகுதியான மேல் மேன்டில் திண்மமானதும், ஃபெரிக் இரும்பு உருகுபொருளில் குவிகிறது; பிறகு ஹைட்ரஜன் அதை ஒடுக்குகிறது. வளிமண்டலம் ஓர் இடையகமாகச் (buffer) செயல்படுகிறது; இரண்டு நிலைகளும் பொதுவாக ஒத்த காற்றுடன் முடிகின்றன. முந்தைய மாதிரிகள் செய்ததுபோல இந்த ஆக்சிஜன் கணக்கை நிறுத்தினால், அவை கணிசமாக வேறுபடுகின்றன.

ஆழமான கடல்கள், அதிக நீர்

எல்லா இயக்கங்களிலும், மாக்மா கடல் எவ்வளவு ஆழமோ அவ்வளவு அதிக நீரை அது உருவாக்குகிறது: உயர் அழுத்தம் இரும்பின் பிரிவுக்குச் சாதகமானது. இரும்பை விரும்பும் தனிமங்கள் உலோகத்துக்கும் பாறைக்கும் இடையே எப்படிப் பகிரப்பட்டன என்பதிலிருந்து ஊகிக்கப்பட்ட வரம்பிலான ஆழங்களுக்கு — அடியில் 28 முதல் 53 ஜிகாபாஸ்கல் — ஹைட்ரஜனின் 70%-க்கும் மேல் இறுதியில் நீராகிறது. இன்று உள்ளகத்துக்கு வெளியே பூமி முழுவதும் வைத்திருக்கும் நீரின் அளவுக்கு — 1 முதல் 10 N_TO — இளம் பூமி ஹைட்ரஜனைச் சேர்த்திருந்தால், இந்த வேதியியல் பூமியின் நீர் இருப்பை விளக்கக்கூடும் என்று ஆசிரியர்கள் எழுதுகிறார்கள்.

செவ்வாய் இந்தப் போக்குடன் பொருந்துகிறது. செவ்வாயின் மாக்மா கடல், இருந்திருந்தால், கோளின் உள்ளகத்தைவிட — 18 முதல் 19 ஜிகாபாஸ்கல் — ஆழமாகச் சென்றிருக்க முடியாது; அப்போது மாதிரி, பூமியினுடையதைவிட மிகக் குறைவாக ஆக்சிஜனேற்றப்பட்ட மேன்டிலைத் தருகிறது — உலோக இரும்பும் இரும்பு ஆக்சைடும் இணைந்திருக்கும் புள்ளிக்கு அருகிலுள்ள வேதியியல் கொண்ட செவ்வாய் விண்கற்களுடன் இது ஒத்துப்போகிறது.

சித்திரத்தை எது மாற்றக்கூடும்

இரும்புத் துளிகள் உடனே உள்ளகத்துக்குள் விழுவதாக மாதிரி அனுமானிக்கிறது; வெப்பச்சலனத்தால் மிதக்க வைக்கப்பட்டால், அவை மேற்பரப்பை ஒடுக்கும் நிலையில் விட்டு, நீர் உற்பத்தியைக் கட்டுப்படுத்தக்கூடும். எவ்வளவு ஃபெரிக் இரும்பு உருவாகிறது என்பதில் உயர் அழுத்தச் சோதனைகள் ஒத்துப்போகவில்லை. பரவல் தரவுகள் சுமார் 1,700 கெல்வினில் நின்றுவிடுகின்றன; வினை வேகம் திண்ம இரும்பு ஆக்சைடுகளிலிருந்து எடுக்கப்பட்டது; எனவே ஹைட்ரஜன் உள்ளீர்ப்பு குறைத்து மதிப்பிடப்பட்டிருக்கலாம். மேலும் மாதிரி மேன்டிலை 0.06 முதல் 0.15 என்ற ஃபெரிக்/ஃபெரஸ் இரும்பு விகிதத்துடன் விடுகிறது — இன்றைய 0.02 முதல் 0.06-க்கு மேல்: உலோகம் நிறைந்த பொருளின் தாமதமான வருகை போன்ற பிந்தைய செயல்முறைகள் அதைக் குறைத்திருக்க வேண்டும்.

ஹைட்ரஜன் நிறைந்ததாகவே இருந்த வானம்

மாக்மா கடல் உறைந்ததும், நீராவி சுருங்கி ஒரு மேற்பரப்புக் கடலாகியிருக்க வேண்டும். எஞ்சிய ஹைட்ரஜன் கார்பன், நைட்ரஜன் வாயுக்களுடன் காற்றிலேயே இருந்திருக்கும்; அது மீத்தேன், அம்மோனியா, பிறகு அந்த முதல் கடலில் சேர்ந்திருக்கக்கூடிய கரிமச் சேர்மங்கள் உருவாக உதவியிருக்கலாம் என்று ஆசிரியர்கள் கூறுகிறார்கள். இந்தச் சித்திரத்தில், அந்தக் கடலின் நீரில் பெரும்பங்கு வானில் ஹைட்ரஜனாகத் தொடங்கி, ஏறக்குறைய ஒவ்வொரு நிமிடமும் மூழ்கித் தன்னைப் புதுப்பித்துக்கொண்ட ஒரு தோல் வழியாக மாக்மாவுக்குள் இழுக்கப்பட்டது.