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研究揭示地球氮元素起源與早期演化之謎
作者：王敏   來源：中國科學報  
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近日，中國科學技術大學特任教授王文忠與國際學者合作，揭示了早期星胚熔融揮發(fā)和晚期富揮發(fā)份物質(zhì)的增生兩個關鍵階段共同決定了硅酸鹽地球中氮元素的豐度，為理解地球揮發(fā)份的起源提供了新的認識。相關成果日前發(fā)表于《自然-通訊》。
氮是地球上生命的基本組成元素之一，廣泛存在于眾多有機分子之中。盡管氮對生命至關重要，但與地球初始增生物質(zhì)相比，當前硅酸鹽地球（包括大氣、地殼和地幔）的氮含量相對較低，大約只有2ppm（百萬分之二）。深入研究地球中氮的增生演化歷史，對認識地球生命相關元素的起源及宜居性演變具有重要意義。
目前，學術界主要有兩種關于地球揮發(fā)份增生模型。第一種模型，即“后期增生模型”，認為形成地球的初始增生物質(zhì)幾乎不含揮發(fā)份，包括氮，而硅酸鹽地球目前所具有的揮發(fā)份豐度主要是在增生晚期通過加入少量富含揮發(fā)份物質(zhì)形成的。第二種模型，即“早期演化模型”，則認為地球的初始增生物質(zhì)原本就富含揮發(fā)份，地球所經(jīng)歷的一系列演化過程導致了目前硅酸鹽地球相對于初始組分虧損揮發(fā)份。
氮有兩種穩(wěn)定同位素，即14N和15N。氮同位素可用于示蹤地球揮發(fā)份在行星增生過程中的演化歷史，為研究類地行星揮發(fā)份的起源和演化提供了一種關鍵研究手段。然而，要有效利用這一工具，首先必須了解行星早期演化階段中氮同位素的分餾機制。王文忠采用第一性原理計算方法，研究了星云物質(zhì)凝聚形成星胚過程中的氮同位素分餾，包括熔融揮發(fā)和核幔分異兩個階段。研究發(fā)現(xiàn)，在早期太陽系星云中氫氣尚未完全散失的條件下，熔融揮發(fā)使得星胚富集14N，而核幔分異則導致15N在硅酸鹽熔體中富集。
結合第一性原理計算結果和實際觀測數(shù)據(jù)，研究團隊發(fā)現(xiàn)，早期星胚演化過程并不足以解釋當前硅酸鹽地球的氮同位素組成，必須在增生晚期加入一定量的富含揮發(fā)性成分的物質(zhì)，如碳質(zhì)球粒隕石，以解釋觀測到的氮同位素特征。因此，硅酸鹽地球中的氮豐度是早期星胚演化和晚期增生階段共同作用的結果。
研究人員介紹，值得注意的是，盡管晚期增生對硅酸鹽地球的氮豐度具有顯著影響，但由于加入的富含揮發(fā)份物質(zhì)的質(zhì)量極低，其對硅酸鹽地球中其他揮發(fā)份豐度的貢獻十分有限。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-48500-0
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