Maa on ainoa planeetta, jonka tiedämme sisältävän elämää. Onko planeettamme erityinen? Tutkijat ovat vuosien varrella pohtineet, mitkä tekijät ovat elämälle välttämättömiä tai hyödyllisiä. Vastaukset auttavat meitä tunnistamaan muita mahdollisesti asuttuja planeettoja muualla galaksissa.
Ymmärtääksemme, millaiset olosuhteet olivat maapallon alkuvuosina, tutkimuksemme yritti luoda uudelleen planeetan miljardeja vuosia sitten peittäneen kiehuvan magmameren kemiallisen tasapainon ja teki kokeita selvittääkseen, millaisen ilmakehän se olisi tuottanut. Työskennellessämme ranskalaisten ja yhdysvaltalaisten kollegojen kanssa saimme selville, että Maan ensimmäinen ilmakehä oli todennäköisesti sakea, inhorealistinen hiilidioksidin ja typen keitto, joka muistutti paljolti sitä, mitä näemme nykyään Venuksella.
Miten Maa sai ensimmäisen ilmakehänsä
Maailman kaltainen kiviplaneetta syntyy niin sanotun ”akkrektioprosessin” kautta, jossa alun perin pienet hiukkaset kasaantuvat yhteen painovoiman vetovoiman alaisena muodostaen yhä suurempia ja suurempia kehiä. Pienemmät kappaleet, joita kutsutaan ”planetesimaaleiksi”, näyttävät asteroideilta, ja seuraavaksi suuremmat ovat ”planeettojen alkioita”. Aurinkokunnan alkuaikoina saattoi olla monia planetaarisia alkioita, mutta ainoa edelleen elossa oleva on Mars, joka ei ole täysikasvuinen planeetta kuten Maa tai Venus.
Akkreaation myöhäisvaiheissa tapahtuu jättiläismäisiä törmäyksiä, jotka vapauttavat valtavia määriä energiaa. Uskomme, että Maan akkredition viimeisessä törmäyksessä Marsin kokoinen alkio törmäsi kasvavaan Maahan, pyörähti irti Kuustamme ja sulatti suurimman osan tai kaiken jäljelle jääneestä.
Törmäys olisi jättänyt maapallon ”magmamereksi” kutsutun sulan kiven maailmanlaajuisen meren peittoon. Magmameri olisi vuotanut vety-, hiili-, happi- ja typpikaasuja muodostaakseen Maan ensimmäisen ilmakehän.
Millainen ensimmäinen ilmakehä oli
Halusimme tietää tarkalleen, millainen ilmakehä tämä olisi ollut ja miten se olisi muuttunut, kun se ja sen alla oleva magmameri olisivat jäähtyneet. Ratkaisevaa oli ymmärtää, mitä tapahtui hapelle, koska se ohjaa muiden alkuaineiden yhdistymistä.
Jos happea olisi ollut vähän, ilmakehässä olisi ollut runsaasti vetyä (H₂), ammoniakkia (NH₃) ja hiilimonoksidikaasuja (CO). Kun happea olisi ollut runsaasti, se olisi koostunut paljon ystävällisemmästä kaasujen sekoituksesta: hiilidioksidista (CO₂), vesihöyrystä (H₂O) ja molekulaarisesta typestä (N₂).
Meidän oli siis selvitettävä hapen kemia magmameressä. Keskeistä oli määrittää, kuinka paljon happea oli kemiallisesti sitoutunut alkuaineeseen rauta. Jos happea on paljon, se sitoutuu rautaan 3:2-suhteessa, mutta jos happea on vähemmän, näemme 1:1-suhteen. Todellinen suhde voi vaihdella näiden ääripäiden välillä.
Kun magmameri lopulta jäähtyi, siitä tuli Maan vaippa (planeettamme kuoren alla oleva kivikerros). Teimme siis olettamuksen, että happi-raudan sidossuhteet magmameressä olisivat olleet samat kuin ne ovat nykyään vaipassa.
Meillä on runsaasti näytteitä vaipasta, joista osa on tuotu pintaan tulivuorenpurkausten ja osa tektonisten prosessien seurauksena. Näistä voisimme selvittää, miten voisimme koota laboratoriossa sopivan kemikaalisekoituksen.
Laboratoriossa
Määritimme, että tämä ilmakehä koostui CO₂:sta ja H₂O:sta. Typpi olisi ollut alkuainemuodossaan (N₂) eikä myrkyllisenä ammoniakkikaasuna (NH₃).
Mutta mitä olisi tapahtunut, kun magmameri olisi jäähtynyt? Vaikuttaa siltä, että varhainen maapallo jäähtyi tarpeeksi, jotta vesihöyry tiivistyi ilmakehästä ja muodosti nestemäisen veden valtameriä, jollaisia näemme nykyään. Tällöin ilmakehään olisi jäänyt 97 prosenttia CO₂:ta ja 3 prosenttia N₂:ta, ja sen kokonaispaine olisi ollut noin 70-kertainen nykyiseen ilmakehän paineeseen verrattuna. Kasvihuoneilmiöstä puheen ollen! Mutta aurinko oli silloin alle kolme neljäsosaa niin kirkas kuin nyt.
Miten Maa välttyi Venuksen kohtalolta
Tämä CO₂:n ja N₂:n suhde muistuttaa hämmästyttävän paljon Venuksen nykyistä ilmakehää. Miksi Venuksella, mutta ei Maassa, säilyi siis nykyisin havaitsemamme helvetillisen kuuma ja myrkyllinen ympäristö?
Vastaus on, että Venus oli liian lähellä Aurinkoa. Se ei yksinkertaisesti koskaan jäähtynyt riittävästi muodostaakseen vesimeriä. Sen sijaan ilmakehän H₂O jäi vesihöyryksi ja hävisi hitaasti mutta vääjäämättä avaruuteen.
Varhaisessa maapallossa vesimeret sen sijaan vetivät hitaasti mutta tasaisesti CO₂:ta ilmakehästä reagoimalla kiven kanssa – reaktio, jonka tiede on tuntenut viimeiset 70 vuotta nimellä ”Urey-reaktio” sen havainneen Nobel-palkinnon saajan mukaan – ja laskivat ilmakehän paineen nykyiselle tasolle.
Niin, vaikka molemmat planeetat alkoivat lähes identtisesti, niiden erilaiset etäisyydet Auringosta saivat ne poikkeaville poluille. Maasta tuli entistä suotuisampi elämälle, kun taas Venus muuttui yhä epäsuotuisammaksi.