Under Hadean Eon, for omkring 4,5 milliarder år siden, var verden et meget andet sted end i dag. Det var også i denne periode, at udgasning og vulkansk aktivitet frembragte den primære atmosfære sammensat af kuldioxid, brint og vanddamp.
Lidt af denne oprindelige atmosfære er tilbage, og geotermisk bevis tyder på, at Jordens atmosfære måske er blevet udslettet mindst to gange siden dens dannelse for mere end 4 milliarder år siden. Indtil for nylig var videnskabsmænd usikre på, hvad der kunne have forårsaget dette tab.
Men en ny undersøgelse fra MIT, hebraisk universitet og Caltech viser, at den intense bombardering af meteoritter i denne periode kan have været ansvarlig.
Dette meteoriske bombardement ville have fundet sted på samme tid som månen blev dannet. Den intense bombardement af rumklipper ville have sparet gasskyer op med nok kraft til at skubbe atmosfæren ud i rummet permanent. Sådanne påvirkninger kan også have sprængt andre planeter og endda skrællet atmosfærerne i Venus og Mars væk.
Faktisk fandt forskerne, at små planetesimaler kan være meget mere effektive end store påvirkere - såsom Theia, hvis kollision med Jorden antages at have dannet Månen - i at føre atmosfærisk tab. Baseret på deres beregninger ville det have en kæmpe effekt at sprede det meste af atmosfæren; men samlet set ville mange små påvirkninger have den samme effekt.
Hilke Schlichting, en adjunkt i MITs afdeling for jord-, atmosfæriske og planetariske videnskaber, siger, at det at forstå driverne for Jordens gamle atmosfære kan hjælpe videnskabsmænd med at identificere de tidlige planetariske forhold, der opmuntrede livet til at dannes.
”[Dette fund] indstiller en meget anden begyndelsesbetingelse for, hvordan den tidlige Jordas atmosfære mest sandsynligt var,” siger Schlichting. ”Det giver os et nyt udgangspunkt for at prøve at forstå, hvad der var sammensætningen af atmosfæren, og hvad var betingelserne for at udvikle livet.”
Hvad mere er, gruppen undersøgte, hvor meget atmosfære, der blev bevaret og mistet efter påvirkninger med kæmpe, store Mars-størrelser og større kroppe og med mindre påvirkere, der måler 25 kilometer eller mindre.
Hvad de fandt, var, at en kollision med en så stor massiv påvirkning som Mars ville have den nødvendige effekt af at generere en massiv en stødbølge gennem Jordens indre og potentielt skubbe en betydelig del af planetens atmosfære ud.
Forskerne konstaterede imidlertid, at en sådan påvirkning ikke sandsynligvis ville have fundet sted, da det ville have gjort Jordens indre til en homogen opslæmning. I betragtning af udseendet af forskellige elementer, der er observeret i Jordens indre, ser det ikke ud til, at en sådan begivenhed er sket i fortiden.
En serie mindre påvirkere ville derimod generere en eksplosion af slags og frigive en plum af affald og gas. Den største af disse påvirkere ville være kraftfulde nok til at skubbe al gas ud fra atmosfæren umiddelbart over slagzonen. Kun en brøkdel af denne atmosfære ville gå tabt efter mindre påvirkninger, men holdet vurderer, at titusinder af små slagere kunne have trukket den væk.
Et sådant scenario forekom sandsynligvis for 4,5 milliarder år siden under Hadean Eon. Denne periode var en af galaktisk kaos, da hundreder af tusinder af rumklipper hvirvlede rundt om solsystemet, og mange antages at have kollideret med Jorden.
”Helt sikkert havde vi alle disse mindre påvirkere dengang,” siger Schlichting. "En lille påvirkning kan ikke slippe af med det meste af atmosfæren, men samlet er de meget mere effektive end gigantiske påvirkninger og kan let skubbe ud hele Jordens atmosfære."
Schlichting og hendes team indså imidlertid, at sumeffekten af små påvirkninger muligvis er for effektiv til at køre atmosfærisk tab. Andre forskere har målt den atmosfæriske sammensætning af Jorden sammenlignet med Venus og Mars; og sammenlignet med Venus, er Jordens ædelgasser udtømt 100 gange. Hvis disse planeter var blevet udsat for den samme blitz af små påvirkere i deres tidlige historie, ville Venus ikke have nogen atmosfære i dag.
Hun og hendes kolleger gik tilbage over små-impactor-scenariet for at prøve at redegøre for denne forskel i planetariske atmosfærer. Baseret på yderligere beregninger identificerede teamet en interessant effekt: Når en halvt planet har en atmosfære, der er gået tabt, bliver det meget lettere for små slagere at skubbe ud resten af gassen.
Forskerne beregnet, at Venus 'atmosfære kun skulle starte lidt mere massiv end Jordens for at små påvirkere kan erodere den første halvdel af Jordens atmosfære, mens Venus' holdes intakt. Fra det tidspunkt beskriver Schlichting fænomenet som en "løbsk proces - når du først har formået at slippe af med første halvdel, er anden halvdel endnu lettere."
Dette gav anledning til et andet vigtigt spørgsmål: Hvad erstattede til sidst Jordens atmosfære? Ved yderligere beregninger fandt Schlichting og hendes team de samme påvirkere, som udskudt gas også kan have indført nye gasser eller flygtige stoffer.
”Når der sker en påvirkning, smelter det planetesimalt, og dets flygtige kan gå ud i atmosfæren,” siger Schlichting. ”De kan ikke kun udtømme, men genopfylde en del af atmosfæren.”
Gruppen beregnet mængden af flygtige stoffer, der kan frigøres af en klippe med en given sammensætning og masse, og fandt, at en betydelig del af atmosfæren kan være blevet fyldt op af påvirkningen af titusinder af rumarter.
”Vores tal er realistiske i betragtning af hvad vi ved om det flygtige indhold af de forskellige klipper, vi har,” bemærker Schlichting.
Jay Melosh, professor i jord-, atmosfærisk og planetarisk videnskab ved Purdue University, siger Schlichtingens konklusion er overraskende, da de fleste forskere har antaget, at Jordens atmosfære blev udslettet af en enkelt, gigantisk påvirkning. Andre teorier, siger han, påkalder en stærk strøm af ultraviolet stråling fra solen, samt en "usædvanligt aktiv solvind."
”Hvordan Jorden mistede sin oprindelige atmosfære har været et langvarigt problem, og dette papir går langt i retning af at løse dette gåte,” siger Melosh, der ikke bidrog til forskningen. ”Livet kom i gang på Jorden omkring denne tid, og så at besvare spørgsmålet om, hvordan atmosfæren gik tabt, fortæller os om, hvad der måske har sparket livets oprindelse ud.”
Fremover håber Schlichting at undersøge nærmere betingelserne for Jordens tidlige dannelse, herunder samspillet mellem frigivelsen af flygtige stoffer fra små slagfaste og fra Jordens gamle magmahav.
”Vi vil forbinde disse geofysiske processer for at bestemme, hvad der var den mest sandsynlige sammensætning af atmosfæren på tidspunktet nul, når Jorden netop dannede sig, og forhåbentlig identificerer betingelser for livets udvikling,” siger Schlichting.
Schlichting og hendes kolleger har offentliggjort deres resultater i februarudgaven af tidsskriftet Icarus.
