De aarde heeft veel veranderingen doorgemaakt in haar geschiedenis van 4,5 miljard jaar, inclusief een verschuiving om te beginnen met het opnemen en vasthouden van vluchtige verbindingen uit de atmosfeer in de mantel voordat ze weer worden uitgespuwd door vulkaanuitbarstingen.

Dit transport kon niet veel eerder zijn begonnen dan 2,5 miljard jaar geleden, volgens nieuw onderzoek van de Washington University in St. Louis, gepubliceerd in het nummer van 9 augustus van het tijdschrift Natuur .

"Het leven op aarde geeft om veranderingen in het vluchtige budget van het oppervlak, " zei Rita Parai, assistent-professor geochemie in Earth and Planetary Sciences in Arts &Sciences en eerste auteur van de studie. "En er is een wisselwerking tussen wat de diepe aarde aan het doen was en hoe de oppervlakteomgeving veranderde over een tijdschaal van miljarden jaren."

Vluchtige stoffen, zoals water, koolstofdioxide en de edelgassen - komen uit de mantel door vulkanisme en kunnen vanuit de atmosfeer in het binnenste van de aarde worden geïnjecteerd, een paar processen genaamd mantelontgassing en hergassing. De beurs regelt de bewoonbaarheid van de planeet, omdat het de oppervlaktebeschikbaarheid bepaalt van verbindingen die essentieel zijn voor het leven, zoals koolstof, stikstof en water.

Het nieuwe model gepresenteerd door Parai en medewerker Sujoy Mukhopadhyay, van de Universiteit van Californië, Davis, stelt ook een reeks data vast waarin de aarde is verschoven van een netto-ontgassingsregime - opnieuw, denk aan die sluimerende vulkanen - naar een die de balans heeft doen kantelen naar netto hergassing mogelijk mogelijk gemaakt door subductie, de lopende bandwerking van tektonische platen.

Mechanische eigenschappen veranderen als water wordt toegevoegd of verwijderd uit de mantel, dus het begin van hergassing had een belangrijk effect op het interne karnen van de mantel, bekend als convectie, die plaatbewegingen aan het oppervlak regelt, zei Parai.

Parai gebruikt edelgassen om vragen te beantwoorden over hoe planetaire lichamen zich in de loop van de tijd vormen en evolueren. In dit nieuwe onderzoek ze modelleerde het lot en het transport van vluchtige verbindingen in de aardmantel met behulp van xenon-isotopen als tracers.

"Xenon is een uitstekende vluchtige tracer, omdat alle mineralen die water dragen ook xenon dragen, "Zei Parai. "Dus als hergassing van xenon te verwaarlozen was, hergassing van water moet ook verwaarloosbaar zijn geweest tijdens de Archean (4 miljard-2,5 miljard jaar geleden)."

Aanzienlijke hergassing begon ergens tussen een paar honderd miljoen tot 2,5 miljard jaar geleden, vonden de onderzoekers. Deze intrigerende periode in de geschiedenis van de aarde omvat toevallig ook de periode waarin ademende zuurstof zich begon op te hopen in de atmosfeer van de aarde - wat wetenschappers de Grote Oxidatie-gebeurtenis noemen.

"Het zou echt interessant zijn als dat bereik zou kunnen worden verkleind, en de tijd rond de Great Oxidation Event bleek gunstig te zijn, "Zei Parai. "Dat zou ons kunnen vertellen dat er een fundamentele verschuiving was in de manier waarop het vaste aarde-atmosfeersysteem werkte.

"Maar ik kan geen favorieten kiezen binnen ons assortiment, " zei ze. "Alles wat we kunnen zeggen is dat er iets is veranderd na 2,5 miljard jaar geleden."

Als platentektoniek en subductie eerder dan 2,5 miljard jaar geleden begonnen, toen was het binnenste van de aarde misschien voldoende afgekoeld om vluchtige stoffen in subductieplaten te laten achterblijven, in plaats van losgelaten te worden en terug naar de oppervlakte te sijpelen door magmatisme, stelt Paraï voor.

"De meeste mensen hebben zelden de gelegenheid om na te denken over vluchtige stoffen die vastzitten in het binnenste van de aarde, "Zei Parai. "Ze zijn aanwezig in lage concentraties, maar de mantel is enorm in termen van massa. Dus voor het totale volatiele budget van de aarde, de mantel is een belangrijk reservoir."

Ze is van plan haar toekomstig onderzoek te richten op het verleggen van de grenzen van precisie in xenon-isotopenmetingen in een verscheidenheid aan geologische monsters.

"Hoe meer observatiebeperkingen we hebben, des te beter, " ze zei.