Země je jediná planeta, o které víme, že obsahuje život. Je naše planeta něčím výjimečná? Vědci si v průběhu let lámali hlavu nad tím, jaké faktory jsou pro život nezbytné nebo prospěšné. Odpovědi nám pomohou identifikovat další potenciálně obydlené planety jinde v galaxii.
Abychom pochopili, jaké podmínky panovaly v počátcích existence Země, pokusili jsme se v rámci výzkumu obnovit chemickou rovnováhu vroucího magmatického oceánu, který pokrýval planetu před miliardami let, a provedli jsme experimenty, abychom zjistili, jakou atmosféru by vytvořil. Ve spolupráci s kolegy z Francie a Spojených států jsme zjistili, že první atmosféra Země byla pravděpodobně hustá, nehostinná polévka oxidu uhličitého a dusíku, podobná té, kterou dnes vidíme na Venuši.
Jak Země získala svou první atmosféru
Skalnatá planeta, jako je Země, se rodí procesem zvaným „akrece“, při kterém se původně malé částice shlukují pod vlivem gravitace a vytvářejí stále větší a větší tělesa. Menší tělesa, nazývaná „planetesimály“, vypadají jako planetky a tělesa další velikosti jsou „planetární embrya“. V rané Sluneční soustavě mohlo být mnoho planetárních embryí, ale jediné, které dosud přežívá, je Mars, který není plnohodnotnou planetou jako Země nebo Venuše.
Pozdější fáze akrece zahrnují obří nárazy, při nichž se uvolňuje obrovské množství energie. Domníváme se, že poslední náraz v akreci Země zahrnoval náraz embrya o velikosti Marsu do rostoucí Země, odklonění našeho Měsíce a roztavení většiny nebo celého toho, co z něj zbylo.
Náraz by zanechal Zemi pokrytou globálním mořem roztavených hornin, kterému se říká „magmatický oceán“. Z magmatického oceánu by unikaly plyny vodíku, uhlíku, kyslíku a dusíku a vytvořily by první zemskou atmosféru.
Jaká byla první atmosféra
Chtěli jsme přesně vědět, jaká by to byla atmosféra a jak by se měnila, jak by ona i magmatický oceán pod ní chladly. Klíčové bylo pochopit, co se dělo s prvkem kyslíkem, protože ten řídí, jak se kombinují ostatní prvky.
Pokud by bylo v okolí málo kyslíku, atmosféra by byla bohatá na vodík (H₂), amoniak (NH₃) a plynný oxid uhelnatý (CO). Při hojném množství kyslíku by byla tvořena mnohem přívětivější směsí plynů: oxidem uhličitým (CO₂), vodní párou (H₂O) a molekulárním dusíkem (N₂).
Potřebovali jsme tedy zjistit chemické složení kyslíku v magmatickém oceánu. Klíčem bylo určit, kolik kyslíku je chemicky vázáno na prvek železo. Pokud je kyslíku hodně, váže se na železo v poměru 3:2, ale pokud je kyslíku méně, vidíme poměr 1:1. V tomto poměru se kyslík váže na železo. Skutečný poměr se může pohybovat mezi těmito extrémy.
Když magmatický oceán nakonec vychladl, stal se z něj zemský plášť (vrstva hornin pod zemskou kůrou). Vycházeli jsme tedy z předpokladu, že vazebné poměry kyslíku a železa v magmatickém oceánu by byly stejné jako dnes v plášti.
Máme spoustu vzorků pláště, některé se dostaly na povrch při sopečných erupcích a jiné při tektonických procesech. Z nich bychom mohli zjistit, jak v laboratoři sestavit odpovídající směs chemických látek.
V laboratoři
Zjistili jsme, že tato atmosféra se skládá z CO₂ a H₂O. Dusík by byl spíše ve své elementární formě (N₂) než v toxickém plynu amoniaku (NH₃).
Co by se však stalo, kdyby se magmatický oceán ochladil? Zdá se, že raná Země se ochladila natolik, že vodní pára z atmosféry zkondenzovala a vytvořila oceány kapalné vody, jaké vidíme dnes. To by zanechalo atmosféru s 97 % CO₂ a 3 % N₂ při celkovém tlaku zhruba 70krát vyšším, než je dnešní atmosférický tlak. Mluvíme o skleníkovém efektu! Ale Slunce bylo tehdy méně než ze tří čtvrtin tak jasné jako dnes.
Jak se Země vyhnula osudu Venuše
Tento poměr CO₂ k N₂ se nápadně podobá současné atmosféře Venuše. Proč si tedy Venuše, ale ne Země, zachovala pekelně horké a toxické prostředí, které pozorujeme dnes?
Odpovědí je, že Venuše byla příliš blízko Slunci. Jednoduše se nikdy neochladila natolik, aby se na ní vytvořily vodní oceány. Místo toho H₂O v atmosféře zůstal ve formě vodní páry a pomalu, ale neúprosně se ztrácel do vesmíru.
Na rané Zemi vodní oceány místo toho pomalu, ale vytrvale stahovaly CO₂ z atmosféry reakcí s horninami – reakce, kterou věda posledních 70 let zná jako „Ureyovu reakci“ podle nositele Nobelovy ceny, který ji objevil – a snižovaly atmosférický tlak na úroveň, kterou pozorujeme dnes.
Ačkoli tedy obě planety začínaly téměř stejně, jejich rozdílná vzdálenost od Slunce je přivedla na odlišné dráhy. Země se stala příznivější pro život, zatímco Venuše byla stále nehostinnější.