A Föld az egyetlen bolygó, amelyről tudjuk, hogy életet tartalmaz. Különleges a mi bolygónk? A tudósok az évek során sokat töprengtek azon, hogy melyek azok a tényezők, amelyek nélkülözhetetlenek, illetve előnyösek az élet számára. A válaszok segítenek majd azonosítani más, potenciálisan lakott bolygókat máshol a galaxisban.
Azért, hogy megértsük, milyenek voltak a körülmények a Föld korai éveiben, kutatásaink megpróbálták rekonstruálni a bolygót évmilliárdokkal ezelőtt borító forrásban lévő magmaóceán kémiai egyensúlyát, és kísérleteket végeztek, hogy kiderítsék, milyen légkört hozhatott létre. A franciaországi és amerikai kollégákkal együttműködve azt találtuk, hogy a Föld első légköre valószínűleg szén-dioxidból és nitrogénből álló sűrű, barátságtalan leves volt, hasonlóan ahhoz, amit ma a Vénuszon látunk.
Hogyan lett a Földnek első légköre
A Földhöz hasonló kőzetbolygó egy “akkréciónak” nevezett folyamat során születik, amelyben a gravitáció hatására a kezdetben apró részecskék egyre nagyobb és nagyobb testekké állnak össze. A kisebb testek, az úgynevezett “planetesimálok” úgy néznek ki, mint az aszteroidák, a következő méretűek pedig “bolygóembriók”. A korai Naprendszerben sok bolygóembrió létezhetett, de az egyetlen, amelyik máig fennmaradt, a Mars, amelyik nem olyan kifejlett bolygó, mint a Föld vagy a Vénusz.
Az akkréció késői szakaszában óriási becsapódások következnek be, amelyek hatalmas mennyiségű energiát szabadítanak fel. Úgy gondoljuk, hogy a Föld akkréciójának utolsó becsapódásakor egy Mars méretű embrió csapódott a növekvő Földbe, leperdítette a Holdunkat, és megolvasztotta a maradék nagy részét vagy egészét.
A becsapódás következtében a Földet egy “magmaóceánnak” nevezett globális olvadt kőzettenger borította volna. A magmaóceánból hidrogén, szén, oxigén és nitrogén gázok szivárogtak volna ki, hogy kialakuljon a Föld első légköre.
Milyen volt az első légkör
Meg akartuk tudni, hogy pontosan milyen légkör lehetett ez, és hogyan változott volna, ahogy az, illetve az alatta lévő magmaóceán lehűlt. A legfontosabb dolog, amit meg kellett értenünk, hogy mi történt az oxigén elemmel, mert ez szabályozza a többi elem kombinációját.
Ha kevés oxigén volt, a légkör hidrogén (H₂), ammónia (NH₃) és szén-monoxid (CO) gázokban gazdag lehetett. Bőséges oxigénnel sokkal barátságosabb gázkeverékből állt volna: szén-dioxidból (CO₂), vízgőzből (H₂O) és molekuláris nitrogénből (N₂).
Az oxigén kémiai összetételét kellett tehát kidolgoznunk a magmaóceánban. A kulcs az volt, hogy meghatározzuk, mennyi oxigén kötődik kémiailag a vas elemhez. Ha sok az oxigén, akkor 3:2 arányban kötődik a vashoz, de ha kevesebb az oxigén, akkor 1:1 arányt látunk. A tényleges arány e szélsőségek között változhat.
Amikor a magmaóceán végül lehűlt, a Föld köpenye (a bolygó kérge alatti kőzetréteg) lett belőle. Ezért azt a feltételezést tettük, hogy a magmaóceánban az oxigén-vas kötési arányok ugyanolyanok lettek volna, mint a mai köpenyben.
Rengeteg mintánk van a köpenyből, némelyiket vulkánkitörések, másokat tektonikus folyamatok hozták a felszínre. Ezekből ki tudnánk dolgozni, hogyan lehetne a laboratóriumban összeállítani a vegyi anyagok megfelelő keverékét.
A laboratóriumban
Megállapítottuk, hogy ez a légkör CO₂-ból és H₂O-ból állt. A nitrogén elemi formában (N₂), nem pedig a mérgező gáz ammónia (NH₃) formájában lehetett jelen.
De mi történt volna, amikor a magmaóceán lehűlt? Úgy tűnik, a korai Föld eléggé lehűlt ahhoz, hogy a vízgőz kicsapódjon a légkörből, és folyékony vízből álló óceánokat képezzen, mint amilyeneket ma is látunk. Így a légkör 97%-ban CO₂-ból és 3%-ban N₂-ból állt volna, a mai légköri nyomás 70-szeresének megfelelő össznyomás mellett. Ez aztán az üvegházhatás! De a Nap akkoriban kevesebb mint háromnegyedannyira volt fényes, mint most.
Hogyan kerülte el a Föld a Vénusz sorsát
A CO₂ és N₂ aránya feltűnően hasonlít a Vénusz jelenlegi légköréhez. Miért maradt meg tehát a Vénuszon, de a Földön nem, a ma megfigyelhető pokolian forró és mérgező környezet?
A válasz az, hogy a Vénusz túl közel volt a Naphoz. Egyszerűen nem hűlt le eléggé ahhoz, hogy vízóceánok alakuljanak ki rajta. Ehelyett a légkörben lévő H₂O vízgőz formájában maradt, és lassan, de feltartóztathatatlanul eltűnt az űrbe.
A korai Földön a vízóceánok ehelyett lassan, de folyamatosan CO₂-t vontak le a légkörből a kőzetekkel való reakció révén – ezt a reakciót a tudomány az elmúlt 70 évben “Urey-reakcióként” ismerte a felfedező Nobel-díjas után -, és a légköri nyomást a ma megfigyelhető szintre csökkentette.
Azaz, bár mindkét bolygó szinte ugyanúgy indult, a Naptól való különböző távolságuk miatt eltérő pályára kerültek. A Föld egyre kedvezőbbé vált az élet számára, míg a Vénusz egyre barátságtalanabbá vált.