De aarde is de enige planeet waarvan we weten dat er leven is. Is onze planeet bijzonder? Wetenschappers hebben zich in de loop der jaren afgevraagd welke factoren essentieel zijn voor of bevorderlijk zijn voor leven. De antwoorden zullen ons helpen andere mogelijk bewoonde planeten elders in het melkwegstelsel te identificeren.
Om te begrijpen hoe de omstandigheden in de beginjaren van de aarde waren, heeft ons onderzoek geprobeerd de chemische balans na te bootsen van de kokende magma-oceaan die de planeet miljarden jaren geleden bedekte, en experimenten uitgevoerd om te zien wat voor atmosfeer deze zou hebben voortgebracht. In samenwerking met collega’s in Frankrijk en de Verenigde Staten ontdekten we dat de eerste atmosfeer van de Aarde waarschijnlijk een dikke, onherbergzame soep van kooldioxide en stikstof was, vergelijkbaar met wat we nu op Venus zien.
Hoe de Aarde haar eerste atmosfeer kreeg
Een rotsachtige planeet zoals de Aarde ontstaat door een proces dat “accretie” wordt genoemd, waarbij aanvankelijk kleine deeltjes onder invloed van de zwaartekracht samenklonteren tot steeds grotere lichamen. De kleinere lichamen, die “planetesimalen” worden genoemd, lijken op asteroïden, en de volgende grootte zijn “planetaire embryo’s”. Er kunnen veel planetaire embryo’s zijn geweest in het vroege zonnestelsel, maar de enige die nog over is, is Mars, die geen volwaardige planeet is zoals de Aarde of Venus.
In de late stadia van de accretie vinden reusachtige inslagen plaats waarbij enorme hoeveelheden energie vrijkomen. Wij denken dat de laatste inslag in de aanslibbing van de Aarde een embryo ter grootte van Mars was, dat op de groeiende Aarde insloeg, onze Maan wegdraaide en wat overbleef grotendeels of geheel deed smelten.
De inslag zou de Aarde hebben bedekt met een wereldwijde zee van gesmolten gesteente, een zogenaamde “magma-oceaan”. Uit de magma-oceaan lekten waterstof, koolstof, zuurstof en stikstofgassen, waaruit de eerste dampkring van de aarde ontstond.
Hoe de eerste dampkring eruitzag
We wilden precies weten wat voor dampkring dit geweest zou zijn, en hoe die veranderd zou zijn naarmate de dampkring en de onderliggende magma-oceaan afkoelden. Het belangrijkste is te begrijpen wat er met het element zuurstof gebeurde, want dat bepaalt hoe de andere elementen zich combineren.
Als er weinig zuurstof was, zou de atmosfeer rijk zijn geweest aan waterstof (H₂), ammoniak (NH₃) en koolmonoxide (CO). Met een overvloed aan zuurstof zou de atmosfeer zijn opgebouwd uit een veel vriendelijker mengsel van gassen: kooldioxide (CO₂), waterdamp (H₂O) en moleculair stikstof (N₂).
Dus moesten we de chemische samenstelling van zuurstof in de magma-oceaan bepalen. De sleutel was te bepalen hoeveel zuurstof chemisch gebonden was aan het element ijzer. Als er veel zuurstof is, bindt die zich aan ijzer in een 3:2 verhouding, maar als er minder is, zien we een 1:1 verhouding. De werkelijke verhouding kan variëren tussen deze uitersten.
Toen de magma-oceaan uiteindelijk afkoelde, werd hij de mantel van de aarde (de gesteentelaag onder de korst van de planeet). We gingen er dus van uit dat de zuurstof-ijzer bindingsverhouding in de magma-oceaan dezelfde zou zijn geweest als nu in de mantel.
We hebben veel monsters van de mantel, sommige naar boven gebracht door vulkaanuitbarstingen en andere door tektonische processen. Daarmee kunnen we in het laboratorium een passende mix van chemicaliën samenstellen.
In het lab
We stelden vast dat deze atmosfeer bestond uit CO₂ en H₂O. Stikstof zou in zijn elementaire vorm (N₂) zijn geweest en niet het giftige gas ammoniak (NH₃).
Maar wat zou er gebeurd zijn toen de magma-oceaan afkoelde? Het lijkt erop dat de vroege aarde voldoende is afgekoeld om de waterdamp uit de atmosfeer te laten condenseren en zo oceanen van vloeibaar water te vormen, zoals we nu zien. Dit zou een atmosfeer hebben opgeleverd met 97% CO₂ en 3% N₂, bij een totale druk die ongeveer 70 maal zo hoog is als de atmosferische druk van vandaag. Over een broeikaseffect gesproken! Maar de zon was toen minder dan driekwart zo helder als nu.
Hoe de Aarde het lot van Venus vermeed
De verhouding tussen CO₂ en N₂ lijkt opvallend veel op de huidige atmosfeer op Venus. Waarom heeft Venus, en niet de Aarde, dan de helse, hete en giftige atmosfeer behouden die we vandaag waarnemen?
Het antwoord is dat Venus te dicht bij de zon stond. Het is gewoon nooit genoeg afgekoeld om waterzeeën te vormen. In plaats daarvan bleef het H₂O in de atmosfeer achter als waterdamp en ging het langzaam maar onverbiddelijk verloren in de ruimte.
Op de vroege aarde onttrokken de wateroceanen daarentegen langzaam maar gestaag CO₂ aan de atmosfeer door reactie met gesteente – een reactie die in de wetenschap al 70 jaar bekend staat als de “Urey-reactie”, naar de Nobelprijswinnaar die haar ontdekte – en verlaagden zij de atmosferische druk tot wat wij nu waarnemen.
Dus, hoewel beide planeten vrijwel identiek begonnen, zijn het hun verschillende afstanden tot de zon die hen op verschillende paden hebben gebracht. De aarde werd geschikter voor leven, Venus werd steeds onherbergzamer.