行星科学家模拟早期地球大气演化过程中巨大撞击造成的铁氧化

哈耶萨鲁亚源

在金刚石砧座中对预压样品进行XFEL泵浦-探测实验的示意图。(A)XFEL泵和探针实验的几何学。(DAC内4微米厚的铁箔照片，周围有挥发性流体:H2O(上)和二氧化碳(下)。(C)在Fe + H2O(左)和Fe + CO2(右)系统中XFEL诱导反应下的XRD图像和图案。贷方:科学进展，doi: 10.1126/sciadv.adi6096

（）据美国物理学家组织网（塔玛拉西·吉万达拉）：大气和岩浆海洋中由巨大撞击驱动的氧化还原过程可能在地球演化过程中发挥了至关重要的作用。然而，缺少那个时代的岩石记录使得理解这些过程变得很困难。

在科学进展发表的一份报告中，Jinhuyuk Choi和一个由首尔、德国和韩国的行星科学家组成的研究小组提交了实验结果，这些结果可以使用X射线自由电子激光模拟铁和挥发物之间的巨大碰撞驱动反应。

科学家们使用X射线自由电子激光泵将铁氧化为wüstite，并将挥发物还原为氢气和一氧化碳。铁氧化形成氢化物和菱铁矿，暗示着氧化还原边界。这些发现揭示了创造还原大气的过程，这是早期地球上出现前生物有机分子的基础。

地球的演化和生命的起源

导致45亿年前月球形成的早期巨大撞击是地球演化的灾难性决定因素。由于这种巨大的撞击效应，在蒸汽大气和岩浆海洋中发生的全球化学混合和氧化还原过程导致了在还原大气中的放气和过渡形成；生命起源的先决条件。

虽然各种研究提出了地球早期地幔和大气氧化还原过程的可能场景，但研究人员将前生物物种的形成归因于地球的低氧逸度。自太古代以来，地球的地幔被氧化到今天的水平，含有水、二氧化碳和氮。为了进行再现早期地球条件的数值模拟，研究人员需要开发适当的实验方法来验证巨大的撞击引发的反应。



XFEL泵脉冲的能量分布以及压力和温度的时间演化。(A)将MFI诱发的能量(即不同模型中撞击的比能与Carter等人(25)采用的proto-Earth的相应内部能量增益)与本研究中使用的XFEL泵输送的峰值能量进行比较。由蓝色矩形包围的区域表示本研究中使用的XFEL泵所达到的条件。(B)XFEL泵产生的铁的温度演变示意图，修改自丈夫等人(39)。图表顶部的数字表示(I)皮秒内发生的等容加热，(ii)电子-离子平衡，其中电子的激发将热量传递给组成晶格的离子，(iii)等熵释放，和(iv)等压冷却。插图显示了本研究中使用的重复频率为30赫兹的XFEL泵产生的热量的非累积性。(C)XFEL泵中心周围的热能分布是α-Fe中径向距离和穿透深度的函数。半峰半宽。贷方:科学进展，doi: 10.1126/sciadv.adi6096

月球形成的影响可能已经蒸发了大量的硅酸盐地球，形成了蒸汽大气，并扩大了岩浆海洋，导致来自原生地球和分化的撞击器的物质之间的全球混合。行星科学家假设，月球形成的撞击会在撞击器和原地球的不同化合物之间引发激烈的化学反应，从而产生早期生命。

作为结构探测器的x射线自由电子激光器

因为X射线自由电子激光器是波荡磁铁产生的X射线能量范围内最亮的人造光源。该团队整合了自放大自发发射产生的类似激光的超短脉冲结构。

在这项工作中，Choi和他的同事们使用X射线自由电子激光来泵浦和探测预先压缩的重金属、挥发性水和二氧化碳的混合物，以模拟撞击器的金属核心和原地球中存在的挥发物之间的化学反应。这些结果为巨大的撞击驱动的铁氧化提供了实验证据，导致了生命起源所需的早期进化途径。

模拟巨大撞击引发的环境

在实验过程中，科学家们使用了各种材料，并根据沉积的能量估计了单个X射线自由电子激光脉冲照射下铁箔的温度，以对应于被照射样品吸收的脉冲能量。通过激光冲击压缩，压力持续皮秒的瞬间，能量密度增加。

虽然巨大撞击和它的实验模拟在时间尺度上的差异仍然存在，但是X射线泵浦能量覆盖了大部分巨大撞击驱动的条件。



巨型撞击后地球全球氧化还原反应的一个建议方案。大撞击前后早期地球大气和地幔的演化示意图。贷方:科学进展，doi: 10.1126/sciadv.adi6096

Choi和他的团队还确定了X射线探针脉冲的压力和温度，并确定了对铁-水系统的影响。当研究小组在每串脉冲后的某个时间用额外的脉冲探测样本时，产生的反应产生了额外的氢作为二次氧化产物。

此外，Choi和他的团队对铁-二氧化碳系统进行了X射线自由电子激光，其中氧化亚铁与二氧化碳进一步反应，通过连续脉冲形成菱铁矿。

回收样品的显微镜观察

在用聚焦离子束和电子显微镜探测回收样品的横截面后，科学家们对实验的反应途径有了进一步的了解。

为了了解硅酸盐在巨大撞击驱动的反应中的作用，研究小组对铁-水-硅酸盐系统进行了原位激光加热实验。他们注意到硅酸盐的存在如何不影响铁的氧化或还原物质的产生。虽然在月球形成撞击之前，大量硅酸盐地球上的水和二氧化碳的数量是非常有争议的，但存在一种假设，即反应物完全参与了巨大的撞击引发的反应。

观点

通过这种方式，Jinhuyuk Choi和他的同事们提出了一个早期大气和地幔的巨大撞击驱动氧化还原过程的方案。他们观察到氧化铁形成和铁氢化的程度与铁和水反应产生的压力成反比。在预压缩铁上进行的X射线自由电子激光泵浦-探测实验，混合了挥发性物质，实验模拟了岩浆海洋中巨大的冲击驱动反应。

研究小组估计了氧化铁种类和还原挥发物的数量。该团队在工作中支持忒伊亚假说，该假说描述了原生地球和一个名为忒伊亚的天体之间的碰撞。这些结果解释了氧化地幔和还原大气的时间和全球构造，以促进早期地球上生命的出现。