Podczas Eonu Hadeana, około 4,5 miliarda lat temu, świat był znacznie innym miejscem niż dziś. W tym czasie odgazowanie i aktywność wulkaniczna wytworzyły pierwotną atmosferę złożoną z dwutlenku węgla, wodoru i pary wodnej.
Pozostaje niewiele z tej pierwotnej atmosfery, a dowody geotermalne sugerują, że atmosfera Ziemi mogła zostać całkowicie zatarta co najmniej dwukrotnie od czasu jej powstania ponad 4 miliardy lat temu. Do niedawna naukowcy nie byli pewni, co mogło spowodować tę stratę.
Jednak nowe badania MIT, Hebrew Univeristy i Caltech wskazują, że intensywne bombardowanie meteorytów w tym okresie mogło być odpowiedzialne.
To bombardowanie meteoriczne miało miejsce mniej więcej w tym samym czasie, w którym powstał Księżyc. Intensywne bombardowanie skał kosmicznych podniosłoby chmury gazu z siłą wystarczającą do trwałego wyrzucenia atmosfery w przestrzeń kosmiczną. Takie uderzenia mogły również zniszczyć inne planety, a nawet zdjąć atmosferę Wenus i Marsa.
W rzeczywistości naukowcy odkryli, że małe planetozymale mogą być znacznie bardziej skuteczne niż duże impaktory - takie jak Theia, których kolizja z Ziemią prawdopodobnie spowodowała powstanie Księżyca - w kierowaniu stratami atmosferycznymi. Opierając się na ich obliczeniach, gigantyczny wpływ rozproszyłby większość atmosfery; ale wzięte razem wiele małych oddziaływań miałoby ten sam efekt.
Hilke Schlichting, adiunkt w Departamencie Nauk o Ziemi, Atmosferze i Planetarnej MIT, mówi, że zrozumienie czynników wpływających na starożytną atmosferę Ziemi może pomóc naukowcom w zidentyfikowaniu wczesnych warunków planetarnych, które zachęcały do życia.
„[To odkrycie] ustanawia zupełnie inny warunek początkowy dla tego, jaka była najprawdopodobniej atmosfera wczesnej Ziemi,” mówi Schlichting. „Daje nam nowy punkt wyjścia do próby zrozumienia składu atmosfery i warunków rozwoju życia”.
Co więcej, grupa zbadała, ile atmosfery zostało zachowanych i utraconych w wyniku zderzeń z gigantycznymi, wielkościami Marsa i większymi ciałami oraz z mniejszymi impaktorami o długości 25 kilometrów lub mniejszej.
Odkryli, że zderzenie z impaktorem tak masywnym jak Mars miałoby konieczny skutek, generując ogromną falę uderzeniową przez wnętrze Ziemi i potencjalnie wyrzucając znaczną część atmosfery planety.
Jednak naukowcy ustalili, że taki wpływ prawdopodobnie nie wystąpił, ponieważ zmieniłby wnętrze Ziemi w jednorodną zawiesinę. Biorąc pod uwagę pojawienie się różnorodnych elementów obserwowanych we wnętrzu Ziemi, takie zdarzenie wydaje się nie mieć miejsca w przeszłości.
Natomiast seria mniejszych impaktorów spowodowałaby swego rodzaju eksplozję, uwalniając pióropusz gruzu i gazu. Największy z tych impaktorów byłby wystarczająco silny, aby wyrzucić cały gaz z atmosfery bezpośrednio nad strefą uderzenia. Tylko niewielka część tej atmosfery zostałaby utracona w wyniku mniejszych uderzeń, ale zespół szacuje, że dziesiątki tysięcy małych impaktorów mogło ją zdjąć.
Taki scenariusz prawdopodobnie wydarzył się 4,5 miliarda lat temu podczas eonu Hadeana. Okres ten był jednym z galaktycznego chaosu, ponieważ setki tysięcy skał kosmicznych wirowały wokół Układu Słonecznego, a wiele z nich prawdopodobnie zderzyło się z Ziemią.
„Na pewno mieliśmy wtedy wszystkie te mniejsze impaktory”, mówi Schlichting. „Jeden mały wstrząs nie może pozbyć się większości atmosfery, ale łącznie są znacznie wydajniejsze niż uderzenia gigantyczne i mogą z łatwością wyrzucić całą atmosferę ziemską”.
Jednak Schlichting i jej zespół zdali sobie sprawę, że sumaryczny efekt małych uderzeń może być zbyt skuteczny w ograniczaniu strat atmosferycznych. Inni naukowcy zmierzyli skład atmosferyczny Ziemi w porównaniu z Wenus i Marsem; i w porównaniu z Wenus szlachetne gazy ziemskie zostały wyczerpane 100-krotnie. Gdyby te planety były narażone na ten sam atak małych impaktorów we wczesnej historii, Wenus nie miałaby dziś atmosfery.
Ona i jej koledzy wrócili do scenariusza małego impaktora, aby spróbować wyjaśnić tę różnicę w atmosferach planetarnych. Na podstawie dalszych obliczeń zespół zidentyfikował interesujący efekt: po utracie połowy atmosfery planety małe impaktory znacznie łatwiej wyrzucają resztę gazu.
Naukowcy obliczyli, że atmosfera Wenus musiałaby zacząć się nieco bardziej masywnie niż Ziemia, aby małe impaktory zniszczyły pierwszą połowę atmosfery ziemskiej, utrzymując jednocześnie nienaruszoną Wenus. Od tego momentu Schlichting opisuje zjawisko jako „niekontrolowany proces - gdy uda ci się pozbyć pierwszej połowy, druga połowa jest jeszcze łatwiejsza”.
To zrodziło kolejne ważne pytanie: co ostatecznie zastąpiło atmosferę Ziemi? Po dalszych obliczeniach Schlichting i jej zespół znaleźli te same impaktory, w których wyrzucony gaz również mógł wprowadzić nowe gazy lub substancje lotne.
„Kiedy nastąpi zderzenie, topi się ono w przestrzeni planet, a jego substancje lotne mogą przedostać się do atmosfery”, mówi Schlichting. „Mogą nie tylko wyczerpać, ale także uzupełnić część atmosfery”.
Grupa obliczyła ilość substancji lotnych, które mogą zostać uwolnione przez skałę o danym składzie i masie, i stwierdziła, że znaczna część atmosfery mogła zostać uzupełniona przez uderzenie dziesiątek tysięcy skał kosmicznych.
„Nasze liczby są realistyczne, biorąc pod uwagę to, co wiemy o lotnej zawartości różnych skał, które mamy”, zauważa Schlichting.
Jay Melosh, profesor nauk o ziemi, atmosferze i planetologii na Purdue University, mówi, że wniosek Schlichtinga jest zaskakujący, ponieważ większość naukowców przyjęła, że atmosfera Ziemi została zniszczona przez pojedynczy gigantyczny wpływ. Inne teorie, mówi, wywołują silny strumień promieniowania ultrafioletowego ze Słońca, a także „niezwykle aktywny wiatr słoneczny”.
„To, jak Ziemia straciła pierwotną atmosferę, było od dawna problemem, a niniejszy artykuł ma długą drogę do rozwiązania tej zagadki”, mówi Melosh, który nie przyczynił się do badań. „Życie zaczęło się na Ziemi mniej więcej w tym czasie, więc odpowiedź na pytanie o utratę atmosfery mówi nam o tym, co mogło być przyczyną powstania życia”.
Idąc dalej, Schlichting ma nadzieję dokładniej zbadać warunki leżące u podstaw wczesnej formacji Ziemi, w tym wzajemne oddziaływanie uwalniania substancji lotnych z małych impaktorów i starożytnego oceanu magmy na Ziemi.
„Chcemy połączyć te procesy geofizyczne, aby ustalić, jaki był najbardziej prawdopodobny skład atmosfery w czasie zero, kiedy Ziemia właśnie się ukształtowała, i, miejmy nadzieję, zidentyfikować warunki ewolucji życia”, mówi Schlichting.
Schlichting i jej koledzy opublikowali swoje wyniki w lutowym wydaniu czasopisma Icarus.
