Pământul este singura planetă despre care știm că conține viață. Este planeta noastră specială? De-a lungul anilor, oamenii de știință s-au frământat asupra factorilor esențiali sau benefici pentru viață. Răspunsurile ne vor ajuta să identificăm alte planete potențial locuite din alte părți ale galaxiei.
Pentru a înțelege cum erau condițiile în primii ani ai Pământului, cercetarea noastră a încercat să recreeze echilibrul chimic al oceanului de magmă în fierbere care acoperea planeta acum miliarde de ani și a efectuat experimente pentru a vedea ce fel de atmosferă ar fi produs. Lucrând cu colegi din Franța și Statele Unite, am descoperit că prima atmosferă a Pământului a fost probabil o supă groasă și neospitalieră de dioxid de carbon și azot, foarte asemănătoare cu cea pe care o vedem astăzi pe Venus.
Cum a obținut Pământul prima sa atmosferă
O planetă stâncoasă precum Pământul se naște printr-un proces numit „acreție”, în care particule inițial mici se aglomerează sub influența gravitației pentru a forma corpuri din ce în ce mai mari. Corpurile mai mici, numite „planetesimale”, seamănă cu asteroizii, iar cele de mărime imediat superioară sunt „embrioni planetari”. Este posibil să fi existat mulți embrioni planetari în sistemul solar timpuriu, dar singurul care încă supraviețuiește este Marte, care nu este o planetă cu drepturi depline precum Pământul sau Venus.
Etapele târzii ale acreției implică impacturi gigantice care eliberează cantități enorme de energie. Credem că ultimul impact din procesul de acreție al Pământului a implicat un embrion de mărimea lui Marte care a lovit Pământul în creștere, învârtind Luna noastră și topind cea mai mare parte sau tot ce a rămas.
Impactul ar fi lăsat Pământul acoperit de o mare globală de rocă topită numită „ocean de magmă”. Oceanul de magmă ar fi scurs gaze de hidrogen, carbon, oxigen și azot, pentru a forma prima atmosferă a Pământului.
Cum a fost prima atmosferă
Am vrut să știm exact ce fel de atmosferă ar fi fost aceasta și cum s-ar fi schimbat pe măsură ce aceasta, și oceanul de magmă de dedesubt, s-au răcit. Lucrul crucial de înțeles este ce se întâmpla cu elementul oxigen, deoarece acesta controlează modul în care se combină celelalte elemente.
Dacă ar fi existat puțin oxigen în jur, atmosfera ar fi fost bogată în hidrogen (H₂), amoniac (NH₃) și gaze de monoxid de carbon (CO). Cu oxigen din abundență, aceasta ar fi fost alcătuită dintr-un amestec mult mai prietenos de gaze: dioxid de carbon (CO₂), vapori de apă (H₂O) și azot molecular (N₂).
Așa că a trebuit să aflăm chimia oxigenului din oceanul de magmă. Cheia era să determinăm cât de mult oxigen era legat chimic de elementul fier. Dacă există mult oxigen, acesta se leagă de fier într-un raport de 3:2, dar dacă există mai puțin oxigen, observăm un raport de 1:1. Raportul real poate varia între aceste extreme.
Când oceanul de magmă s-a răcit în cele din urmă, a devenit mantaua Pământului (stratul de rocă de sub scoarța planetei). Așadar, am presupus că raporturile de legătură oxigen-fier din oceanul de magmă ar fi fost aceleași cu cele din mantaua de astăzi.
Dispunem de o mulțime de eșantioane de mantaua, unele aduse la suprafață prin erupții vulcanice și altele prin procese tectonice. Pornind de la acestea, am putea să ne dăm seama cum să alcătuim un amestec potrivit de substanțe chimice în laborator.
În laborator
Am determinat că această atmosferă era compusă din CO₂ și H₂O. Azotul ar fi fost în forma sa elementară (N₂) mai degrabă decât gazul toxic amoniac (NH₃).
Dar ce s-ar fi întâmplat atunci când oceanul de magmă s-a răcit? Se pare că Pământul timpuriu s-a răcit suficient pentru ca vaporii de apă să se condenseze din atmosferă, formând oceane de apă lichidă așa cum vedem astăzi. Acest lucru ar fi lăsat o atmosferă cu 97% CO₂ și 3% N₂, la o presiune totală de aproximativ 70 de ori mai mare decât presiunea atmosferică de astăzi. Vorbim despre un efect de seră! Dar Soarele era atunci mai puțin de trei sferturi la fel de strălucitor ca acum.
Cum a evitat Pământul soarta lui Venus
Acest raport dintre CO₂ și N₂ este izbitor de asemănător cu atmosfera actuală de pe Venus. Așadar, de ce a păstrat Venus, dar nu și Pământul, mediul infernal de fierbinte și toxic pe care îl observăm astăzi?
Răspunsul este că Venus era prea aproape de Soare. Pur și simplu nu s-a răcit niciodată suficient pentru a forma oceane de apă. În schimb, H₂O din atmosferă a rămas sub formă de vapori de apă și a fost pierdut încet, dar inexorabil în spațiu.
În schimb, pe Pământul timpuriu, oceanele de apă au atras încet, dar constant, CO₂ din atmosferă prin reacție cu rocile – o reacție cunoscută de știință în ultimii 70 de ani sub numele de „reacția Urey”, după numele laureatului premiului Nobel care a descoperit-o – și reducând presiunea atmosferică la nivelul pe care îl observăm astăzi.
Așadar, deși ambele planete au început aproape identic, distanțele lor diferite față de Soare sunt cele care le-au pus pe căi divergente. Pământul a devenit mai propice vieții, în timp ce Venus a devenit din ce în ce mai neospitalieră.
.