Låser op for hemmelighederne bag Jordens tidlige atmosfære

Forskning delvist udført ved Advanced Photon Source hjalp videnskabsmænd med at opdage sammensætningen af ​​Jordens første atmosfære. Det, de fandt, rejser spørgsmål om livets oprindelse på Jorden.

For lang tid siden, da vores solsystem blev til de planeter, vi kender i dag, Jorden var i bund og grund en kæmpe kugle af smeltet lava. For cirka 4,5 milliarder år siden, forskere mener, at Jorden kolliderede med en planet på størrelse med Mars. Energien fra denne katastrofale kollision blæste Jordens eksisterende atmosfære ud i rummet, skabte vores måne, og fik hele planeten til at smelte.

Over tid, dette verdensomspændende magmahav frigav gasser som nitrogen, brint, kulstof og ilt, skabe en ny atmosfære, den ældste version af den vi har i dag. Men hvad, Nemlig, var den tidlige atmosfære? Og hvorfor er vores atmosfære nu så forskellig fra vores kosmiske naboers? Disse spørgsmål har forvirret videnskabsmænd i generationer, men svarene har unddraget os indtil for nylig.

Nu har et internationalt hold af videnskabsmænd, der udforsker oprindelsen af ​​Jordens atmosfære, fundet ud af, at vores engang var meget lig den atmosfære, der findes på Venus og Mars i dag. Deres resultater, for nylig offentliggjort i tidsskriftet Videnskabens fremskridt , har implikationer, der går langt ud over den kemiske sammensætning af Jordens tidlige atmosfære, som resultaterne stikker huller i en populær teori om selve livets udvikling.

Det viser sig, at spor til Jordens tidlige atmosfære blev begravet i vores ældste klipper. Det, der skulle til for at afdække dem, var en laserovn, en svævende kugle af lava og den avancerede fotonkilde (APS), en US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility ved DOE's Argonne National Laboratory.

Forskerholdet, ledet af Paolo Sossi, nu seniorforsker ved Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich og National Center of Competence in Research (NCCR) PlanetS, satte sig for at låse op for disse hemmeligheder. Selvom de ikke havde nogen mulighed for at måle Jordens gamle atmosfære direkte, de fandt en måde at måle den nøjagtige sammensætning af atmosfæren, da Jordens ældste sten blev dannet.

"For fire og en halv milliard år siden, magmaen - den smeltede sten, der nu ligger under jordskorpen - udvekslede konstant gasser med den overliggende atmosfære, " Sossi forklarede. "Luften og magmaen påvirkede hinanden. Så, du kan lære om det ene af det andet."

Mens magma afkøles og bliver til sten, den låser en registrering af, hvordan atmosfæren var på det tidspunkt. Magma er rig på jern, og oxidationstilstanden af ​​jern i klipperne (i det væsentlige den kemiske sammensætning af dets rust) giver forskerne en indikation af, hvordan Jordens tidlige atmosfære var, og hvor meget ilt der var til rådighed på det tidspunkt. Når der er mere ilt i atmosfæren, jern bindes til oxygen i forholdet 2:3, og atmosfæren er rig på nitrogen og kuldioxid. Når mindre ilt er tilgængeligt, forholdet er 1:1, og atmosfæren indeholder mere metan og ammoniak.

Imidlertid, at forstå den nøjagtige sammensætning af Jordens tidlige atmosfære, forskerne havde i det væsentlige brug for at skabe en miniatureversion af den tidlige Jord (og dens atmosfære) i laboratoriet. At gøre dette, de samlede de elementære komponenter af Jordens tidlige kappe (kendt af geologer ved peridotite), opvarmede den med en laser, indtil den blev smeltet lava, og svævede derefter denne kugle af smeltet lava i en strøm af gas, der skulle repræsentere Jordens tidligste atmosfære.

Når lavaen afkøles, den tilbageblevne glaskugle på størrelse med marmor havde fanget en registrering af den kemiske reaktion mellem lavaen og atmosfæren i det jern, den indeholdt. De teknologiske fremskridt, der gjorde dette eksperiment muligt, kom først for nylig. For at smelte peridotit, du skal få det meget, meget varmt - næsten 2000°C - og sluk det derefter hurtigt for at bevare kemien ved høje temperaturer. Muligheden for at gøre dette blev muliggjort med udviklingen af ​​en ny laserovnsteknik.

Forskerne gentog eksperimentet et antal gange ved at bruge forskellige kemiske sammensætninger af gasser, der kunne have eksisteret i den tidlige atmosfære, studerede derefter jernoxidationstilstanden i prøverne, leder efter dem, der mest lignede dem, der findes i Jordens kappeklipper. Sammenligning af jernoxidationstilstanden i naturlige bjergarter med dem, der blev dannet i laboratoriet, gav forskerne en idé om, hvilken af ​​deres gasblandinger, der matchede Jordens tidlige atmosfære.

"Vi fandt ud af, at den atmosfære, vi beregnede til at have været til stede på Jorden for milliarder af år siden, var den samme i sammensætning som den, vi finder på Venus og Mars i dag, sagde Sossi, som vidste, at han havde den korrekte atmosfæriske sammensætning, når jernoxidationstilstanden i deres prøve matchede dem, der blev fundet i gamle klipper fra Jordens kappe. "Når du har en atmosfære produceret af magma i den rigtige oxidationstilstand, du får en, der består af omkring 97 procent kuldioxid og 3 procent nitrogen, når den er afkølet, det samme forhold, der findes i dag på Venus og Mars."

Årevis, geologer har henvendt sig til APS for at studere sammensætningen af ​​bjergarter og oxidationstilstanden af ​​jernet indeholdt i dem. En særlig strålelinje ved APS administreret af forskere fra University of Chicago, GeoSoilEnviroCARS (13-ID-E), er blevet verdensledende inden for denne type forskning og analyser. Da tiden kom for forskerne til at få analyseret deres prøver, der var et oplagt sted at tage hen.

"APS giver os mulighed for at lave meget små bjælker, som vi kan lave denne type analyse med, " sagde Matt Newville, en seniorforsker og beamline-forsker ved APS og en forfatter på papiret. Den strålelinje, han arbejder på, kan fokusere sine stråler til så lille som 1 mikron på tværs - omkring 50 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår - hvilket giver forskerne mulighed for at foretage meget præcise og nøjagtige målinger af deres prøver.

"Vi laver denne type analyser på sten hele tiden, men det var utroligt velskabte prøver, " sagde Newville. "At de var i stand til at få disse prøver, der var meget gode til at simulere effekten af ​​den tidlige atmosfære, er virkelig utroligt."

Ikke kun giver disse prøver en måde at måle sammensætningen af ​​Jordens gamle atmosfære, men de sætter også nogle geologiske begrænsninger på en populær teori om livets oprindelse. I 1950'erne, Stanley Miller udførte et banebrydende eksperiment ved University of Chicago, der viste, at aminosyrer - livets byggesten - ville dannes i et miljø med flydende vand og luft rig på metan og ammoniak, når de blev zappet med elektricitet for at simulere lyn. På det tidspunkt, det var de forhold, man mente at eksisterede på den tidlige Jord.

Imidlertid, hvis Jordens tidlige atmosfære i stedet var rig på kuldioxid og nitrogen, som denne nye forskning viser, det ville gøre det sværere for disse aminosyrer at dannes.

Disse eksperimenter hjalp også med at besvare spørgsmål om, hvorfor Jordens nuværende atmosfære er så forskellig fra vores naboplaneter. På jorden, flydende vand dannet ud af denne magma-fremstillede atmosfære, trække kuldioxid ud af luften og ind i nydannende oceaner. Sossi sagde, at fordi alle tre planeter - Jorden, Venus og Mars - blev dannet af lignende materialer, det var de kombinerede virkninger af både Jordens store masse og dens særlige afstand fra Solen, der gjorde det muligt for den at fastholde flydende vand på sin overflade, hvilket så forårsagede et kuldioxidudtag. Mens det ikke var tilfældet på Venus, fordi det var for varmt, eller på Mars, fordi det var for koldt.

Nu hvor Sossi har fundet ud af hvilken type atmosfære der dannes fra en magma-Jord, han retter blikket mod stjernerne. Ved at bruge en modifikation af denne eksperimentelle teknik, han håber at finde en måde at måle atmosfærisk sammensætning ved hjælp af infrarød, så vi en dag kan bruge satellitter til at studere magma-verdener, der faktisk kan eksistere i andre solsystemer i dag.