La Terra è l’unico pianeta che sappiamo contenga vita. Il nostro pianeta è speciale? Gli scienziati nel corso degli anni hanno riflettuto su quali fattori sono essenziali o benefici per la vita. Le risposte ci aiuteranno a identificare altri pianeti potenzialmente abitati altrove nella galassia.
Per capire quali erano le condizioni nei primi anni della Terra, la nostra ricerca ha cercato di ricreare l’equilibrio chimico dell’oceano di magma bollente che copriva il pianeta miliardi di anni fa, e ha condotto esperimenti per vedere che tipo di atmosfera avrebbe prodotto. Lavorando con colleghi in Francia e negli Stati Uniti, abbiamo scoperto che la prima atmosfera della Terra era probabilmente un brodo denso e inospitale di anidride carbonica e azoto, molto simile a quello che vediamo oggi su Venere.
Come la Terra ha ottenuto la sua prima atmosfera
Un pianeta roccioso come la Terra nasce attraverso un processo chiamato “accrezione”, in cui particelle inizialmente piccole si raggruppano sotto la spinta della gravità per formare corpi sempre più grandi. I corpi più piccoli, chiamati “planetesimi”, assomigliano agli asteroidi, e quelli di dimensioni successive sono “embrioni planetari”. Potrebbero esserci stati molti embrioni planetari all’inizio del sistema solare, ma l’unico che ancora sopravvive è Marte, che non è un pianeta a pieno titolo come la Terra o Venere.
Le ultime fasi dell’accrescimento comportano impatti giganteschi che rilasciano enormi quantità di energia. Pensiamo che l’ultimo impatto nell’accrescimento della Terra abbia coinvolto un embrione delle dimensioni di Marte che ha colpito la Terra in crescita, facendo girare la nostra Luna e fondendo la maggior parte o tutto ciò che era rimasto.
L’impatto avrebbe lasciato la Terra coperta da un mare globale di roccia fusa chiamato “oceano di magma”. L’oceano di magma avrebbe rilasciato gas di idrogeno, carbonio, ossigeno e azoto, per formare la prima atmosfera della Terra.
Come era la prima atmosfera
Volevamo sapere esattamente che tipo di atmosfera sarebbe stata, e come sarebbe cambiata man mano che essa, e l’oceano di magma sottostante, si raffreddavano. La cosa cruciale da capire è cosa stava succedendo con l’elemento ossigeno, perché controlla come si combinano gli altri elementi.
Se ci fosse stato poco ossigeno, l’atmosfera sarebbe stata ricca di idrogeno (H₂), ammoniaca (NH₃) e monossido di carbonio (CO). Con abbondante ossigeno, sarebbe stata composta da un mix di gas molto più amichevole: anidride carbonica (CO₂), vapore acqueo (H₂O) e azoto molecolare (N₂).
Così abbiamo dovuto studiare la chimica dell’ossigeno nell’oceano magmatico. La chiave era determinare quanto ossigeno fosse chimicamente legato all’elemento ferro. Se c’è molto ossigeno, si lega al ferro in un rapporto 3:2, ma se c’è meno ossigeno vediamo un rapporto 1:1. Il rapporto effettivo può variare tra questi estremi.
Quando l’oceano di magma alla fine si è raffreddato, è diventato il mantello della Terra (lo strato di roccia sotto la crosta del pianeta). Quindi abbiamo ipotizzato che i rapporti di legame ossigeno-ferro nell’oceano magmatico sarebbero stati gli stessi che ci sono oggi nel mantello.
Abbiamo molti campioni di mantello, alcuni portati in superficie da eruzioni vulcaniche e altri da processi tettonici. Da questi, potremmo capire come mettere insieme un mix corrispondente di sostanze chimiche in laboratorio.
In laboratorio
Abbiamo determinato che questa atmosfera era composta da CO₂ e H₂O. L’azoto sarebbe stato nella sua forma elementare (N₂) piuttosto che il gas tossico ammoniaca (NH₃).
Ma cosa sarebbe successo quando l’oceano di magma si è raffreddato? Sembra che la Terra primitiva si sia raffreddata abbastanza perché il vapore acqueo si condensasse fuori dall’atmosfera, formando oceani di acqua liquida come quelli che vediamo oggi. Questo avrebbe lasciato un’atmosfera con il 97% di CO₂ e il 3% di N₂, ad una pressione totale circa 70 volte la pressione atmosferica di oggi. A proposito di effetto serra! Ma il Sole era meno di tre quarti della luminosità di allora come lo è adesso.
Come la Terra ha evitato il destino di Venere
Questo rapporto tra CO₂ e N₂ è sorprendentemente simile all’attuale atmosfera di Venere. Allora perché Venere, ma non la Terra, ha conservato l’ambiente infernalmente caldo e tossico che osserviamo oggi?
La risposta è che Venere era troppo vicino al Sole. Semplicemente non si è mai raffreddato abbastanza per formare oceani d’acqua. Invece, l’H₂O nell’atmosfera rimase come vapore acqueo e fu lentamente ma inesorabilmente perso nello spazio.
Sulla Terra primitiva, gli oceani d’acqua hanno invece lentamente ma costantemente estratto CO₂ dall’atmosfera per reazione con la roccia – una reazione nota alla scienza negli ultimi 70 anni come “reazione di Urey”, dal nome del premio Nobel che l’ha scoperta – e riducendo la pressione atmosferica a quella che osserviamo oggi.
Così, anche se entrambi i pianeti hanno iniziato in modo quasi identico, sono le loro diverse distanze dal Sole che li hanno messi su percorsi divergenti. La Terra divenne più favorevole alla vita, mentre Venere divenne sempre più inospitale.