Jorden er den eneste planet, som vi ved indeholder liv. Er vores planet noget særligt? Forskere har i årenes løb grublet over, hvilke faktorer der er afgørende for eller gavnlige for liv. Svarene vil hjælpe os med at identificere andre potentielt beboede planeter andre steder i galaksen.
For at forstå, hvordan forholdene var i Jordens tidlige år, forsøgte vores forskning at genskabe den kemiske balance i det kogende magmaocean, der dækkede planeten for milliarder af år siden, og gennemførte eksperimenter for at se, hvilken slags atmosfære det ville have skabt. I samarbejde med kolleger i Frankrig og USA fandt vi ud af, at Jordens første atmosfære sandsynligvis var en tyk, ugæstfri suppe af kuldioxid og kvælstof, meget lig det, vi ser på Venus i dag.
Hvordan Jorden fik sin første atmosfære
En stenplanet som Jorden fødes gennem en proces, der kaldes “akkretion”, hvor oprindeligt små partikler klumper sammen under tyngdekraftens påvirkning for at danne større og større legemer. De mindre legemer, kaldet “planetesimaler”, ligner asteroider, og den næste størrelse opad er “planetembryoner”. Der kan have været mange planetariske embryoner i det tidlige solsystem, men den eneste, der stadig overlever, er Mars, som ikke er en fuldgyldig planet som Jorden eller Venus.
De sene stadier af akkretion involverer gigantiske nedslag, der frigiver enorme mængder energi. Vi tror, at det sidste nedslag i Jordens akkretion involverede et Mars-stort embryo, der ramte den voksende Jord, drejede vores Måne af og smeltede det meste eller alt det, der var tilbage.
Sammenstødet ville have efterladt Jorden dækket af et globalt hav af smeltet sten kaldet et “magmaocean”. Magmahavet ville have udsuget brint, kulstof, ilt og kvælstofgasser for at danne Jordens første atmosfære.
Hvordan den første atmosfære var
Vi ville gerne vide præcis, hvilken slags atmosfære det ville have været, og hvordan den ville have ændret sig, efterhånden som den og magmahavet nedenunder afkøledes. Det afgørende at forstå er, hvad der skete med grundstoffet ilt, fordi det styrer, hvordan de andre grundstoffer kombineres.
Hvis der kun var lidt ilt til stede, ville atmosfæren have været rig på brint (H₂), ammoniak (NH₃) og kulilte (CO) gasser. Med rigeligt med ilt ville den have bestået af en meget venligere blanding af gasser: kuldioxid (CO₂), vanddamp (H₂O) og molekylært kvælstof (N₂).
Så vi var nødt til at finde ud af kemien af ilt i magmahavet. Nøglen var at bestemme, hvor meget ilt der var kemisk bundet til grundstoffet jern. Hvis der er meget ilt, binder det sig til jern i forholdet 3:2, men hvis der er mindre ilt, ser vi et forhold på 1:1. Det faktiske forhold kan variere mellem disse yderpunkter.
Når magmahavet til sidst blev afkølet, blev det til Jordens kappe (laget af sten under planetens skorpe). Vi antog derfor, at ilt-jern-bindingsforholdet i magmahavet ville have været det samme som i kappen i dag.
Vi har masser af prøver af kappen, hvoraf nogle er bragt op til overfladen ved vulkanudbrud og andre ved tektoniske processer. Ud fra disse kunne vi finde ud af, hvordan vi i laboratoriet kunne sammensætte en matchende blanding af kemikalier.
I laboratoriet
Vi fastslog, at denne atmosfære bestod af CO₂ og H₂O. Kvælstof ville have været i sin elementære form (N₂) snarere end den giftige gas ammoniak (NH₃).
Men hvad ville der være sket, da magmahavet afkøledes? Det ser ud til, at den tidlige Jord blev afkølet nok til, at vanddampen kondenserede ud af atmosfæren og dannede oceaner af flydende vand, som vi ser det i dag. Dette ville have efterladt en atmosfære med 97 % CO₂ og 3 % N₂ ved et samlet tryk, der var ca. 70 gange større end det nuværende atmosfæriske tryk. Det kan man tale om en drivhuseffekt! Men solen var mindre end tre fjerdedele så lysstærk dengang, som den er nu.
Hvordan Jorden undgik Venus’ skæbne
Dette forhold mellem CO₂ og N₂ ligner påfaldende meget den nuværende atmosfære på Venus. Så hvorfor beholdt Venus, men ikke Jorden, det helvedes varme og giftige miljø, som vi observerer i dag?
Svaret er, at Venus var for tæt på solen. Den blev simpelthen aldrig afkølet nok til at danne vandoceaner. I stedet forblev H₂O i atmosfæren som vanddamp og blev langsomt, men ubønhørligt tabt til rummet.
På den tidlige Jord trak vandoceanerne i stedet langsomt men støt CO₂ ned fra atmosfæren ved at reagere med sten – en reaktion, som videnskaben i de sidste 70 år har kendt som “Urey-reaktionen”, efter den Nobelpristager, der opdagede den – og reducerede atmosfæretrykket til det, vi ser i dag.
Så selv om begge planeter startede næsten identisk, er det deres forskellige afstande fra Solen, der har sat dem på forskellige veje. Jorden blev mere livsvenlig, mens Venus blev mere og mere ugæstfri.