CÁCH MỘT ĐẠI DƯƠNG MAGMA CÓ THỂ BIẾN HYDRO THÀNH NƯỚC

Hãy hình dung Trái Đất sơ khai sau một vụ va chạm khổng lồ: một đại dương đá nóng chảy bao phủ toàn cầu — một đại dương magma — dưới một bầu khí quyển dày đặc, chủ yếu gồm hydro. Cho hydro tiếp xúc với một oxit sắt mang thêm oxy, hydro sẽ lấy oxy và trở thành nước. Liệu điều đó có thể đã xảy ra ở quy mô hành tinh, và nhanh đến mức nào? Tatsuya Yoshida, thuộc Viện Khoa học Trái Đất – Sự sống (Earth-Life Science Institute) tại Viện Khoa học Tokyo, cùng các đồng nghiệp ở Đại học Hokkaido, Đại học Tohoku và Viện Công nghệ Thông tin và Truyền thông Quốc gia Nhật Bản đã xây dựng một mô hình để tìm câu trả lời.

Sắt tách làm đôi ở dưới sâu

Trong một đại dương magma sâu, ở áp suất của lớp phủ dưới, sắt hóa trị hai (FeO, một nguyên tử oxy trên mỗi nguyên tử sắt) có thể tự oxy hóa – khử (disproportionate): nó tách thành sắt kim loại và sắt hóa trị ba (FeO₁.₅, một rưỡi nguyên tử oxy trên mỗi nguyên tử sắt), theo phản ứng 3 FeO → 2 FeO₁.₅ + Fe. Kim loại chìm xuống lõi và đối lưu phân tán sắt hóa trị ba, khiến magma, theo các nghiên cứu trước đây, bị oxy hóa ở mức xấp xỉ lớp phủ ngày nay. Nó sẽ phản ứng với hydro ở bên trên nhanh đến đâu, và ngược lại, bầu khí quyển sẽ tác động gì lên magma? Nhiều mô hình trước đây coi lớp phủ và magma như một nguồn cung oxy vô tận.

Một lớp da cứ liên tục chìm xuống

Mô hình kết hợp quá trình hydro thấm vào magma, phản ứng của nó với sắt hóa trị ba (H₂ + 2 FeO₁.₅ → H₂O + 2 FeO), sự phân chia nước và các oxit giữa không khí, magma và lớp phủ rắn đang kết tinh bên dưới, cùng với sự nguội đi của hành tinh. Ban đầu, không khí có khoảng mười phân tử hydro trên mỗi phân tử nước. Các lượng được tính bằng N_TO: một N_TO là số phân tử hydro bằng số phân tử nước trong các đại dương ngày nay. Mức độ hòa trộn giữa magma và lớp phủ rắn chưa được biết, nên nhóm đã chạy hai trường hợp cực đoan: trao đổi tự do (Trường hợp 1), hoặc magma bị giữ lại trong lớp phủ khi lớp phủ đông đặc (Trường hợp 2).

Nút thắt cổ chai nằm ở phần trên cùng của magma. Hydro chỉ khuếch tán rất chậm qua đá nóng chảy, nên nó phải vượt qua một lớp biên (boundary layer) mỏng ở bề mặt. Lớp này không đứng yên: bị làm nguội từ bên trên, nó ngày càng đặc hơn cho đến khi chìm xuống và magma mới thế chỗ. Với một đại dương magma nóng và sâu — nhiệt độ bề mặt 2.400 kelvin, áp suất 50 gigapascal ở đáy, 400 watt nhiệt thoát ra qua mỗi mét vuông — điều này xảy ra khoảng mỗi 70 giây một lần.

Trong khoảng thời gian đó, hydro thấm vào chưa tới một milimét trong một lớp dày 19 milimét. Nhưng sự đổi mới liên tục giữ cho gradient hydro luôn dốc, nên dòng hydro đi vào vẫn cao: trên 0,1 N_TO mỗi nghìn năm, trung bình 0,35.

Mô hình: hydro khuếch tán từ khí quyển vào một lớp biên mỏng, phản ứng với sắt hóa trị ba để tạo ra nước, và lớp này lật chìm vào đại dương magma. Ở sâu hơn, sắt tách thành sắt hóa trị ba và kim loại. Trường hợp 1 và 2 khác nhau ở cách magma trao đổi vật chất với lớp phủ rắn. — Hình 1, Yoshida et al. (2026), arXiv:2610.38503.

Khoảng mười nghìn năm

Trong ví dụ chính — tổng cộng 10 N_TO hydro và nước, magma vươn xuống tới mức 50 gigapascal — sắt hóa trị ba bị tiêu thụ, nhưng sắt vẫn tiếp tục tách ở đáy đại dương magma và bù lại phần đó, nên magma vẫn bị oxy hóa ở mức xấp xỉ như cũ. Bề mặt đạt cân bằng hóa học với không khí khi không khí chứa lượng hơi nước xấp xỉ lượng hydro: sau khoảng 0,01 triệu năm, tức 10.000 năm. Đến lúc đó, hydro, tính cả trong không khí lẫn trong magma, đã giảm từ khoảng 5 N_TO xuống dưới 1, và nước, phần lớn hòa tan trong magma, đã tăng gần gấp đôi. Các tác giả thu được tốc độ này khi đại dương magma đủ sâu và đủ nóng để vươn tới lớp phủ dưới.

Sau đó, đại dương magma đông cứng trong khoảng 2 triệu năm ở Trường hợp 1, dưới một bầu khí quyển đóng vai trò như một tấm chăn. Nước thoát ra khỏi magma khi nó kết tinh: trong Trường hợp 1, hơn 80% lượng nước cuối cùng nằm trong không khí.

Trên: áp suất của hydro (xanh lục) và hơi nước (xanh lam) trong khí quyển. Dưới: tổng lượng, tính bằng N_TO. Trái, Trường hợp 1; phải, Trường hợp 2. Gần mốc 10⁻² triệu năm, hydro sụt giảm mạnh và nước tăng lên. — Hình 6 (các ô a–d), Yoshida et al. (2026), arXiv:2610.38503.

Không khí đẩy ngược lại

Khi các tinh thể hình thành, chúng hấp thụ sắt hóa trị ba không đồng đều. Trong Trường hợp 1, sắt hóa trị ba ưu tiên đi vào lớp phủ rắn và magma có xu hướng trôi về phía tính khử; khi đó nước thoát ra khỏi magma phản ứng với sắt hóa trị hai, và không khí oxy hóa magma. Trong Trường hợp 2, sắt hóa trị ba tích tụ trong magma một khi lớp phủ trên, tức phần nông nhất của lớp phủ, đông đặc; khi đó hydro khử nó. Bầu khí quyển đóng vai trò một chất đệm (buffer), và cả hai trường hợp kết thúc với không khí nhìn chung tương tự nhau. Nếu tắt phần tính toán cân bằng oxy này, như các mô hình trước đây đã làm, hai trường hợp sẽ khác biệt đáng kể.

Đại dương càng sâu, càng nhiều nước

Trong tất cả các lần chạy, đại dương magma càng sâu thì càng tạo ra nhiều nước: áp suất cao hơn thúc đẩy sự tách của sắt. Với các độ sâu nằm trong khoảng được suy ra từ cách các nguyên tố ưa sắt được phân chia giữa kim loại và đá — 28 đến 53 gigapascal ở đáy — hơn 70% lượng hydro cuối cùng trở thành nước. Các tác giả viết rằng, nếu Trái Đất sơ khai đã thu gom lượng hydro bằng với lượng nước mà toàn bộ Trái Đất bên ngoài lõi đang chứa ngày nay, tức 1 đến 10 N_TO, thì phản ứng hóa học này có thể giải thích lượng nước của Trái Đất.

Sao Hỏa phù hợp với xu hướng này. Một đại dương magma trên Sao Hỏa, nếu từng tồn tại, chỉ có thể sâu tới lõi của hành tinh, ở mức 18 đến 19 gigapascal, và khi đó mô hình cho ra một lớp phủ bị oxy hóa kém hơn nhiều so với của Trái Đất — phù hợp với các thiên thạch Sao Hỏa, có thành phần hóa học nằm gần điểm mà sắt kim loại và oxit sắt cùng tồn tại.

Điều gì có thể thay đổi bức tranh

Mô hình giả định rằng các giọt sắt rơi ngay vào lõi; nếu bị đối lưu giữ lơ lửng, chúng có thể khiến bề mặt mang tính khử và hạn chế việc tạo ra nước. Các thí nghiệm áp suất cao không thống nhất về lượng sắt hóa trị ba được tạo thành. Dữ liệu khuếch tán chỉ có đến khoảng 1.700 kelvin và tốc độ phản ứng lấy từ các oxit sắt rắn, nên lượng hydro được hấp thụ có lẽ đã bị đánh giá thấp. Và mô hình để lại cho lớp phủ một tỷ lệ sắt hóa trị ba trên sắt hóa trị hai từ 0,06 đến 0,15, cao hơn mức 0,02 đến 0,06 ngày nay: các quá trình về sau, chẳng hạn sự bổ sung muộn của vật chất giàu kim loại, sẽ phải làm giảm tỷ lệ này.

Một bầu trời vẫn giàu hydro

Khi đại dương magma đông cứng, hơi nước hẳn đã ngưng tụ thành một đại dương trên bề mặt. Lượng hydro còn lại hẳn đã ở lại trong không khí cùng với các khí chứa cacbon và nitơ; các tác giả cho rằng nó có thể đã góp phần tạo ra metan, amoniac, rồi các hợp chất hữu cơ có thể đã tích tụ trong đại dương đầu tiên đó. Theo bức tranh này, một phần lớn nước của đại dương ấy khởi đầu là hydro trên bầu trời, được hút vào magma qua một lớp da cứ khoảng mỗi phút lại chìm xuống và tự đổi mới.