神秘的惰性气体失踪案

氙气几乎从地球大气层中消失了。 地球科学家认为它可能已经消失在太空

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来自Nature杂志

证据就在每一次呼吸的空气中,但答案却难以获得。 氙气,化学惰性惰性气体中第二重的气体,已经失踪了。 相对于较轻的惰性气体,我们的大气层中氙气的含量远低于类似于形成地球的岩石物质的陨石。

氙气失踪之谜是科学界最伟大的悬案之一。 研究人员假设该元素潜伏在冰川、矿物或地核等其他地方。


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“科学家们总是说氙气并没有真正失踪。 它不在大气中,但它藏在某个地方,”侦探(抱歉,教授)汉斯·开普勒说,他是德国拜罗伊特大学的地球物理学家。 他和他的同事斯维亚托斯拉夫·谢卡是最新的地球科学家来处理这个案例,并在今天发表在Nature杂志上的一份报告中。

福尔摩斯,我亲爱的华生

他们去矿物中寻找答案。 镁硅酸盐钙钛矿是地球下地幔的主要成分——地壳和地核之间的熔融岩石层,占地球质量的一半。 侦探科学家们想知道,失踪的氙气是否可能藏匿在这种矿物中的口袋里。“我非常肯定可以将惰性气体塞进钙钛矿中,”开普勒说。“我怀疑氙气可能在那里。”

研究人员尝试在超过 1,600 摄氏度的温度和大约海平面 250 倍的压力下,将氙气和氩气溶解在钙钛矿中。 在这些极端条件下——类似于下地幔中的条件——该矿物吸收了氩气,但几乎没有为氙气留下空间。

这些结果听起来可能令人失望,但它们给了开普勒和谢卡一个想法。 如果氙气根本没有隐藏呢?

在 40 多亿年前,地球是熔融状态的。 陨石轰击地球,导致地球失去了大部分原始大气层。 开普勒和谢卡认为,氩气和其他惰性气体藏在钙钛矿中,但大多数氙气无法溶解在矿物中,并消失在太空。

“这与其他人所说的情况完全不同。 他们说氙气在这里,但它藏在某个地方。 我们说它不在这里,因为在地球历史的早期,它无处可藏,”开普勒说。

当地球冷却时,氩气和其他惰性气体开始从钙钛矿中渗出并充满大气层。 氙气仅以痕量水平溶解在矿物中,反过来也只能构成大气层的痕量。

为了进一步支持他们的假设,科学家们指出,大气中三种惰性气体——氙气、氪气和氩气——的相对比例大致与其在钙钛矿中的溶解度相对应。

该理论还可以解释为什么较轻的氙同位素比更重的同位素从大气中消耗得更多。“没有人能够解释这一点,”开普勒说。 他和谢卡认为,在数十亿年的时间里,当氙气渗入太空时,较轻的同位素最有可能逃逸。

结案了吗?

不光彩的气体
巴黎皮埃尔和玛丽·居里大学的地球科学家克里斯泰尔·桑卢普说:“没那么快,我不认为这个发现解释了失踪的氙气。” 她指出,该理论并没有完全解释大气中所有过量的重氙,也没有解释岩石中铀和钚放射性衰变产生的额外氙。

此外,任何对地球失踪氙气的解释也应适用于火星,火星的大气层也缺乏这种惰性气体。 开普勒和谢卡认为,火星上的古代氙气也逃逸到了太空:这颗行星微弱的引力场阻止了它 удерживать 这种气体。 因此,目前在火星上发现的所有氙气都是少量溶解在钙钛矿中的氙气。

但桑卢普怀疑火星是否有足够的(如果有的话)钙钛矿来解释其大气中的氙气。 她说,在火星失踪氙气之谜得到解决之前,关于地球氙气去向的陪审团仍在评议中。

本文经Nature杂志许可转载。 这篇文章于 2012 年 10 月 11 日首次发表

Ewen Callaway is a senior reporter at Nature.

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