Jorden är den enda planet som vi vet innehåller liv. Är vår planet speciell? Forskare har under årens lopp funderat på vilka faktorer som är nödvändiga för eller gynnsamma för livet. Svaren kommer att hjälpa oss att identifiera andra potentiellt bebodda planeter på andra ställen i galaxen.
För att förstå hur förhållandena såg ut under jordens tidiga år försökte vår forskning återskapa den kemiska balansen i det kokande magmaocean som täckte planeten för miljarder år sedan, och utförde experiment för att se vilken typ av atmosfär det skulle ha producerat. I samarbete med kollegor i Frankrike och USA fann vi att jordens första atmosfär troligen var en tjock, ogästvänlig soppa av koldioxid och kväve, ungefär som den vi ser på Venus idag.
Hur jorden fick sin första atmosfär
En stenplanet som jorden föds genom en process som kallas ”ackretion”, där ursprungligen små partiklar klumpar ihop sig under gravitationens dragningskraft och bildar större och större kroppar. De mindre kropparna, som kallas ”planetesimaler”, ser ut som asteroider, och nästa storlek uppåt är ”planetära embryon”. Det kan ha funnits många planetära embryon i det tidiga solsystemet, men den enda som fortfarande överlever är Mars, som inte är en fullfjädrad planet som jorden eller Venus.
De sena stadierna av ackretion inbegriper jättekollisioner som frigör enorma mängder energi. Vi tror att den sista kollisionen i Jordens ackretion innebar att ett embryo av Mars-storlek träffade den växande Jorden, snurrade bort vår måne och smälte det mesta eller allt som fanns kvar.
Inslaget skulle ha lämnat jorden täckt av ett globalt hav av smält sten som kallas ett ”magmahav”. Magmahavet skulle ha läckt vätgaserna väte, kol, syre och kväve för att bilda jordens första atmosfär.
Hur den första atmosfären såg ut
Vi ville veta exakt vilken typ av atmosfär detta skulle ha varit, och hur den skulle ha förändrats när den och magmahavet under den svalnade. Det viktigaste att förstå är vad som hände med grundämnet syre, eftersom det styr hur de andra grundämnena kombineras.
Om det fanns lite syre skulle atmosfären ha varit rik på vätgas (H₂), ammoniak (NH₃) och kolmonoxid (CO). Med rikligt med syre skulle den ha bestått av en mycket vänligare blandning av gaser: koldioxid (CO₂), vattenånga (H₂O) och molekylärt kväve (N₂).
Så vi behövde räkna ut syrekemin i magmahavet. Nyckeln var att bestämma hur mycket syre som var kemiskt bundet till grundämnet järn. Om det finns mycket syre binds det till järn i förhållandet 3:2, men om det finns mindre syre ser vi ett 1:1-förhållande. Det faktiska förhållandet kan variera mellan dessa ytterligheter.
När magmahavet så småningom svalnade blev det till jordens mantel (lagret av sten under planetens skorpa). Vi antog därför att förhållandet mellan syre och järn i magmahavet skulle ha varit detsamma som det är i manteln idag.
Vi har gott om prover av manteln, vissa har förts upp till ytan av vulkanutbrott och andra av tektoniska processer. Utifrån dessa skulle vi kunna räkna ut hur vi kan sätta ihop en matchande blandning av kemikalier i laboratoriet.
I laboratoriet
Vi fastställde att denna atmosfär bestod av CO₂ och H₂O. Kväve skulle ha funnits i sin elementära form (N₂) snarare än den giftiga gasen ammoniak (NH₃).
Men vad skulle ha hänt när magmahavet svalnade? Det verkar som om den tidiga jorden svalnade tillräckligt mycket för att vattenånga skulle kondenseras ur atmosfären och bilda oceaner av flytande vatten som vi ser idag. Detta skulle ha lämnat en atmosfär med 97 % CO₂ och 3 % N₂, vid ett totalt tryck som var ungefär 70 gånger högre än dagens atmosfärstryck. Snacka om växthuseffekt! Men solen var mindre än tre fjärdedelar så ljusstark då som den är nu.
Hur jorden undvek Venus öde
Detta förhållande mellan CO₂ och N₂ är slående likt den nuvarande atmosfären på Venus. Så varför behöll Venus, men inte jorden, den helvetiskt heta och giftiga miljö som vi observerar idag?
Svaret är att Venus låg för nära solen. Den svalnade helt enkelt aldrig tillräckligt för att bilda vattenoceaner. I stället stannade H₂O i atmosfären kvar som vattenånga och försvann långsamt men obönhörligt till rymden.
På den tidiga jorden drog vattenhaven i stället långsamt men stadigt ner koldioxid från atmosfären genom att reagera med sten – en reaktion som vetenskapen under de senaste 70 åren har känt som ”Urey-reaktionen”, efter den nobelpristagare som upptäckte den – och sänkte det atmosfäriska trycket till vad vi observerar i dag.
Och även om de båda planeterna började nästan identiskt är det alltså deras olika avstånd från solen som har gett dem olika vägar. Jorden blev mer gynnsam för liv medan Venus blev alltmer ogästvänlig.