Ziemia jest jedyną planetą, o której wiemy, że zawiera życie. Czy nasza planeta jest wyjątkowa? Naukowcy przez lata zastanawiali się, jakie czynniki są niezbędne lub korzystne dla życia. Odpowiedzi pomogą nam zidentyfikować inne potencjalnie zamieszkane planety w innych częściach galaktyki.
Aby zrozumieć, jakie warunki panowały we wczesnych latach istnienia Ziemi, w naszych badaniach próbowaliśmy odtworzyć równowagę chemiczną wrzącego oceanu magmy, który pokrywał planetę miliardy lat temu, i przeprowadziliśmy eksperymenty, by sprawdzić, jaki rodzaj atmosfery zostałby wytworzony. Współpracując z kolegami z Francji i Stanów Zjednoczonych, stwierdziliśmy, że pierwsza atmosfera Ziemi była prawdopodobnie gęstą, niegościnną zupą dwutlenku węgla i azotu, bardzo podobną do tego, co widzimy dziś na Wenus.
Jak Ziemia uzyskała swoją pierwszą atmosferę
Skalista planeta taka jak Ziemia rodzi się w procesie zwanym „akrecją”, w którym początkowo małe cząstki zlepiają się pod wpływem grawitacji, tworząc coraz większe ciała. Mniejsze ciała, zwane „planetesimalami”, wyglądają jak asteroidy, a kolejne wielkości to „embriony planetarne”. Mogło być wiele planetarnych embrionów we wczesnym Układzie Słonecznym, ale jedynym, który wciąż przetrwał jest Mars, który nie jest pełnoprawną planetą jak Ziemia czy Wenus.
Późne etapy akrecji obejmują gigantyczne zderzenia, które uwalniają ogromne ilości energii. Uważamy, że ostatnie uderzenie w akrecji Ziemi dotyczyło embrionu wielkości Marsa uderzającego w rosnącą Ziemię, obracającego się poza naszym Księżycem i topiącego większość lub wszystko, co pozostało.
Zderzenie pozostawiłoby Ziemię pokrytą globalnym morzem stopionej skały zwanej „magmowym oceanem”. Ocean magmy wyciekłby wodór, węgiel, tlen i gazy azotowe, tworząc pierwszą atmosferę Ziemi.
Jaka była pierwsza atmosfera
Chcieliśmy wiedzieć dokładnie, jakiego rodzaju byłaby to atmosfera i jak zmieniałaby się wraz z ochładzaniem się jej i znajdującego się pod nią oceanu magmowego. Kluczową rzeczą do zrozumienia jest to, co działo się z elementem tlenu, ponieważ kontroluje on, jak łączą się inne elementy.
Gdyby było mało tlenu, atmosfera byłaby bogata w wodór (H₂), amoniak (NH₃) i tlenek węgla (CO). Przy obfitości tlenu atmosfera składałaby się z dużo bardziej przyjaznej mieszanki gazów: dwutlenku węgla (CO₂), pary wodnej (H₂O) i azotu cząsteczkowego (N₂).
Więc musieliśmy rozpracować chemię tlenu w oceanie magmowym. Kluczem było określenie, jak dużo tlenu było chemicznie związane z pierwiastkiem żelaza. Jeśli jest dużo tlenu, wiąże się on z żelazem w stosunku 3:2, ale jeśli jest mniej tlenu, widzimy stosunek 1:1. Rzeczywisty stosunek może się różnić pomiędzy tymi ekstremami.
Gdy ocean magmy w końcu ochłodził się, stał się płaszczem Ziemi (warstwa skały pod skorupą planety). Tak więc przyjęliśmy założenie, że stosunki wiązania tlen-żelazo w oceanie magmy byłyby takie same, jak są w płaszczu dzisiaj.
Mamy mnóstwo próbek płaszcza, niektóre wydobyte na powierzchnię przez erupcje wulkaniczne, a inne przez procesy tektoniczne. Na ich podstawie moglibyśmy opracować, jak w laboratorium zestawić pasującą mieszankę związków chemicznych.
W laboratorium
Określiliśmy, że atmosfera ta składała się z CO₂ i H₂O. Azot występowałby w postaci pierwiastkowej (N₂), a nie toksycznego gazu – amoniaku (NH₃).
Ale co by się stało, gdy ocean magmy ochłodził się? Wydaje się, że wczesna Ziemia ochłodziła się na tyle, by para wodna skropliła się z atmosfery, tworząc oceany ciekłej wody, jakie widzimy dzisiaj. Pozostawiłoby to atmosferę składającą się w 97% z CO₂ i w 3% z N₂, przy całkowitym ciśnieniu około 70 razy większym niż dzisiejsze ciśnienie atmosferyczne. Mówimy tu o efekcie cieplarnianym! Ale Słońce było wtedy mniej niż trzy czwarte tak jasne jak teraz.
Jak Ziemia uniknęła losu Wenus
Ten stosunek CO₂ do N₂ jest uderzająco podobny do obecnej atmosfery na Wenus. Dlaczego więc Wenus, ale nie Ziemia, zachowała piekielnie gorące i toksyczne środowisko, które obserwujemy dzisiaj?
Odpowiedź jest taka, że Wenus była zbyt blisko Słońca. Po prostu nigdy nie ochłodziła się na tyle, by utworzyć wodne oceany. Zamiast tego, H₂O w atmosferze pozostało w postaci pary wodnej i było powoli, ale nieubłaganie tracone w przestrzeń kosmiczną.
Na wczesnej Ziemi oceany wodne zamiast tego powoli, lecz stale wyciągały CO₂ z atmosfery poprzez reakcję ze skałami – reakcję znaną nauce od 70 lat jako „reakcja Urey’a”, po laureacie Nagrody Nobla, który ją odkrył – i zmniejszając ciśnienie atmosferyczne do tego, co obserwujemy dzisiaj.
Więc, chociaż obie planety zaczęły prawie identycznie, to ich różne odległości od Słońca, które umieściły je na rozbieżnych ścieżkach. Ziemia stała się bardziej sprzyjająca dla życia, podczas gdy Wenus stawała się coraz bardziej niegościnna.