46億年謎團破解！科學家揭曉地球氮元素消失之謎

地球就像一本充滿謎團的歷史小說，其中最令人費解的章節之一就是：氮元素到底跑去哪了？科學家發現，相較於碳和水等其他揮發性元素，地球岩石圈（地函）中的氮含量異常稀少。更奇怪的是，矽酸鹽地球（BSE，包含除金屬地核外的所有地球物質）中的碳氮比（C/N）和氬氮比（³⁶Ar/N）遠高於被認為在地球形成時期帶來這些元素的隕石。

這項困擾學界數十年的謎題，如今可能有了答案。最新發表在《地球與行星科學通訊》的研究指出：氮元素並非消失，而是在一場宇宙級的捉迷藏遊戲中，悄悄沉入了地球深處。

為解開這個謎團，科學家將時鐘撥回46億年前。當時的地球還是個被上千公里深巖漿海覆蓋的熾熱熔融球體。在這個時期，鐵等重元素向中心沉降形成地核，較輕物質則上浮凝固成矽酸鹽地函。

這種「核幔分異」過程塑造了地球的層狀結構。但故事不僅關乎金屬和礦物——氮、碳、氬等揮發性元素也在這場大遷徙中扮演關鍵角色。這些元素最終去向（是被地核捕獲、溶解於地函，還是散逸至太空）決定了地球現今的結構與化學組成。

氮元素特別令人費解。雖然現今大氣中78%是氮氣，但整個岩石地函中的總氮量卻低得驚人——僅百萬分之1到5。相較於可能輸送這些元素的隕石，碳和氬相對於氮的豐度要高得多。

日本愛媛大學地球動力學研究中心的團隊提出嶄新觀點：如果大部分氮元素其實是被地核「偷走」了呢？為驗證這個假說，他們用超級電腦重現早期地球巖漿海的極端環境，模擬氮在相當於地表135萬倍壓力（135 GPa）和5000K高溫下的行為。

研究團隊運用量子力學的「第一原理分子動力學」結合統計物理的熱力學積分法，從基礎物理原理計算原子間相互作用，追蹤氮元素的「偏好」：它究竟傾向與富鐵地核結合，還是溶解於矽酸鹽地函？

結果令人驚訝。在巖漿海的極端環境下，氮元素展現出對金屬的強烈親和力。在60 GPa壓力下，氮進入地核的機率是留在地函的100倍以上。隨著壓力增加，這種偏好呈曲線增長——這種非線性效應首次被明確證實，也解釋了為何先前實驗會出現矛盾結果。

微觀機制顯示：在熔融矽酸鹽中，氮原子最初會與自身或氫原子結合成銨離子（NH₄⁺）。但在高壓下，這些鍵結會斷裂，轉而與矽原子結合形成氮化物離子（N³⁻）。與此同時，在金屬地核中，氮原子會嵌入鐵原子間隙，表現得更像中性原子。這種特性促使更多氮元素「棄暗投明」投向地核懷抱。

研究還發現，碳雖有親金屬性，但在深部巖漿海條件下不如氮明顯；惰性氣體氬則完全不理睬金屬。這種「氮＞碳＞氬」的地核親和力層級，可能同時解開兩個謎團。

量化模型顯示：假設地球從成分類似早期太陽系的碳質球粒隕石獲取揮發性元素，只需吸積5-10%這類隕石就能提供足夠的氮、碳和氬。若核幔分異發生在深部巖漿海（如60 GPa），超過80%的氮會沉入地核，使地函僅剩1-7 ppm——與觀測值吻合。較不「戀金」的碳留在地函，造就觀察到的高碳氮比；被地核地函「雙雙拒絕」的氬則 disproportionately 集中於大氣層，解釋矽酸鹽地球的高氬氮比。

這項發現重塑了我們對地球揮發性元素起源的理解。多年來，科學家爭論地球的特殊元素比例究竟源於吸積了特殊隕石，還是氮元素散逸至太空。這項研究提出更簡單的解釋：地球揮發性元素確實來自碳質球粒隕石，但它們的命運早已被核幔分異的極端物理過程決定。

這項發現也暗示，地球能在大氣和岩石圈保留足夠的生物必需元素，其先決條件可能早在46億年前核幔分異時就已確立。換句話說，生命所需的關鍵條件，或許在地球尚未宜居前就已埋下種子。

原來地球的氮從未真正消失，它一直藏在我們腳下數千公里處的地核中。這提醒我們：地球的歷史不僅刻畫在岩石和化石裡，更銘記於原子在難以想像的高壓下做出的神秘選擇。