Η Γη είναι ο μόνος πλανήτης που γνωρίζουμε ότι φιλοξενεί ζωή. Είναι ο πλανήτης μας ξεχωριστός; Οι επιστήμονες με την πάροδο των ετών έχουν προβληματιστεί σχετικά με τους παράγοντες που είναι απαραίτητοι για τη ζωή ή έστω είναι ευεργετικοί για τη ζωή. Οι απαντήσεις που θα προκύψουν θα μας βοηθήσουν να εντοπίσουμε άλλους δυνητικά κατοικήσιμους πλανήτες στον Γαλαξία.
Για να καταλάβουμε τι συνθήκες επικρατούσαν στα πρώιμα χρόνια της Γης, η έρευνά μας προσπάθησε να αναδημιουργήσει τη χημική ισορροπία ενός ωκεανού από κοχλασμένο μάγμα το οποίο κάλυψε τον πλανήτη πριν από δισεκατομμύρια χρόνια και διεξήγαγε πειράματα για να δει τι είδους ατμόσφαιρα θα είχε παραχθεί. Δουλεύοντας με συναδέλφους στη Γαλλία και τις Ηνωμένες Πολιτείες, βρήκαμε ότι η πρώτη ατμόσφαιρα της Γης ήταν πιθανώς μια παχιά, αφιλόξενη σούπα Διοξειδίου του Άνθρακα και Αζώτου, σαν αυτό που βλέπουμε σήμερα στον πλανήτη Αφροδίτη.
Πώς η Γη απέκτησε την πρώτη της ατμόσφαιρα
Ένας βραχώδης πλανήτης όπως η Γη γεννιέται μέσω μιας διαδικασίας η οποία ονομάζεται "προσαύξηση" (αγγλ.accretion), στην οποία αρχικά μικρά σωματίδια συγκεντρώνονται κάτω από τη βαρυτική έλξη για να σχηματίσουν ολοένα και μεγαλύτερα σώματα. Τα μικρότερα σώματα, που ονομάζονται "πλανητικά σχήματα ή πλανητοσχήματα*" (αγγλ. planetesimals), μοιάζουν με αστεροειδείς και το επόμενο μέγεθος είναι τα λεγόμενα "πλανητικά έμβρυα" (αγγλ.planetary embryos) Ίσως υπήρχαν πολλά πλανητικά έμβρυα στο πρώιμο ηλιακό μας σύστημα, αλλά το μόνο που σώζεται ακόμα είναι ο πλανήτης Άρης, ο οποίος δεν είναι ένας ολοκληρωμένος πλανήτης όπως η Γη ή η Αφροδίτη.
Τα τελευταία στάδια της προσαύξησης περιλαμβάνουν τεράστιες συγκρούσεις που απελευθερώνουν τεράστιες ποσότητες ενέργειας. Πιστεύουμε ότι η τελευταία σύγκρουση που επηρέασε την διαδικασία προσαύξησης της Γης αφορούσε ένα πλανητικό έμβρυο με μέγεθος όσο ο πλανήτης Άρη το οποίο χτύπησε την αναπτυσσόμενη Γη, από τα συντρίμμια της σύγκρουσης αυτής δημιουργήθηκε το φεγγάρι μας, και έλιωσε το μεγαλύτερο μέρος από ό, τι είχε απομείνει στην πρώιμη Γη μας.
Σαν αντίκτυπο της σύγκρουσης αυτής η Γη καλύφθηκε από μια κοχλάζουσα θάλασσα λιωμένου βράχου που ονομάζεται "ωκεανός μάγματος" (αγγλ.magma ocean). Από τον ωκεανό μάγματος διέρρευσαν Υδρογόνο, Άνθρακας, Οξυγόνο και αέρια Αζώτου, και έτσι διαμορφώθηκε η πρώτη ατμόσφαιρα της Γης.
Πώς ήταν η πρώτη ατμόσφαιρα;
Θέλαμε να μάθουμε ακριβώς πως θα ήταν αυτή η ατμόσφαιρα, πώς θα άλλαζε, καθώς και πως ψύχθηκε ο ωκεανός μάγματος. Το κρίσιμο πράγμα που πρέπει να καταλάβουμε είναι τι συνέβαινε με το στοιχείο Οξυγόνο, επειδή ελέγχει τον τρόπο με τον οποίο συνδυάζονται τα άλλα στοιχεία.
Εάν υπήρχε λίγο Οξυγόνο, η ατμόσφαιρα θα ήταν πλούσια σε αέρια Υδρογόνου (H₂), Αμμωνίας (NH₃) και Μονοξειδίου του Άνθρακα (CO). Με άφθονο Οξυγόνο, θα είχε δημιουργηθεί ένα πολύ πιο φιλικό μείγμα αερίων: Διοξείδιο του Άνθρακα (CO₂), υδρατμοί (H₂O) και Μοριακό Άζωτο (N₂).
Επομένως, χρειαζόμασταν να επεξεργαστούμε τη χημεία του Οξυγόνου στον ωκεανό μάγματος. Το κλειδί ήταν να προσδιοριστεί πόσο Οξυγόνο συνδέθηκε χημικά με το στοιχείο Σίδηρος. Εάν υπάρχει πολύ Οξυγόνο, συνδέεται με το Σίδηρο σε αναλογία 3: 2, αλλά αν υπάρχει λιγότερο Οξυγόνο βλέπουμε μια αναλογία 1: 1. Η πραγματική αναλογία μπορεί να διαφέρει μεταξύ αυτών των ακραίων τιμών.
Όταν ο ωκεανός μάγματος τελικά ψύχθηκε, έγινε ο γνωστός μας μανδύας της Γης (το στρώμα βράχου κάτω από τον φλοιό του πλανήτη). Έτσι, κάναμε την υπόθεση ότι οι αναλογίες σύνδεσης Οξυγόνου-Σιδήρου στον ωκεανό μάγματος θα ήταν οι ίδιες με αυτές του σημερινού μανδύα.
Έχουμε πολλά δείγματα του γήινου μανδύα, μερικά έρχονται στην επιφάνεια από ηφαιστειακές εκρήξεις και άλλα από τεκτονικές διεργασίες. Από αυτά, θα μπορούσαμε να βρούμε πώς να συνδυάσουμε ένα ταιριαστό μείγμα χημικών στοιχείων στο εργαστήριο.
Σε σχετικά πειράματα αιωρήσαμε έναν μικροσκοπικό ωκεανό μάγματος σε ένα ρεύμα αερίων, διατηρώντας τον λιωμένο από τη θερμότητα ενός ισχυρού λέιζερ. Αυτό μας επέτρεψε να βαθμονομήσουμε τη χημική αντίδραση μεταξύ Σιδήρου και Οξυγόνου στο μάγμα και να το συσχετίσουμε με τη σύνθεση της ατμόσφαιρας. Εικόνα: IPGP, Author provided
Στο εργαστήριο
Αποφασίσαμε ότι αυτή η ατμόσφαιρα αποτελείται από CO₂ και H₂O. Το άζωτο θα ήταν στη στοιχειώδη μορφή του (N₂) παρά σαν το τοξικό αέριο αμμωνία (NH₃).
Αλλά τι θα συνέβαινε όταν ο ωκεανός μάγματος άρχισε να ψύχεται; Φαίνεται ότι η πρώιμη Γη είχε κρυώσει αρκετά ώστε οι υδρατμοί να συμπυκνωθούν έξω από την ατμόσφαιρα, σχηματίζοντας ωκεανούς υγρού νερού όπως βλέπουμε σήμερα. Αυτό δημιούργησε μια ατμόσφαιρα με 97% CO₂ και 3% N₂, σε μια συνολική πίεση περίπου 70 φορές την σημερινή ατμοσφαιρική πίεση. Μιλάμε για ένα πρώιμο φαινόμενο θερμοκηπίου! Αλλά εκείνη την περίοδο ο Ήλιος ήταν λιγότερο από τρία τέταρτα φωτεινός από όσο είναι σήμερα.
Πώς η Γη απέφυγε τη μοίρα της Αφροδίτης
Αυτή η αναλογία CO₂ προς N₂ είναι εντυπωσιακά παρόμοια με την παρούσα ατμόσφαιρα στην Αφροδίτη. Γιατί λοιπόν η Αφροδίτη, αλλά όχι η Γη, διατήρησε το σκληρό και τοξικό περιβάλλον που παρατηρούμε σήμερα;
Μια εικόνα στο υπεριώδες φως δείχνει ζώνες νεφών στην ατμόσφαιρα της Αφροδίτης.
Εικόνα: ISAS / JAXA, CC BY
Η απάντηση είναι ότι η Αφροδίτη ήταν πολύ κοντά στον Ήλιο. Απλώς ποτέ δεν ψύχθηκε αρκετά για να σχηματίσει ωκεανούς. Αντ 'αυτού, το H₂O στην ατμόσφαιρα παρέμεινε με τη μορφή υδρατμών και χάθηκε αργά αλλά αναπόσπαστα στο διάστημα.
Στην πρώιμη Γη, οι ωκεανοί νερού αντλούσαν αργά αλλά σταθερά CO₂ από την ατμόσφαιρα με την λεγόμενη "αντίδραση με βράχο" - μια αντίδραση γνωστή στην επιστήμη τα τελευταία 70 χρόνια ως "αντίδραση Urey" (αγγλ.Urey reaction) από τον βραβευμένο με Νόμπελ Harold Clayton Urey ο οποίος την ανακάλυψε -μειώνοντας την ατμοσφαιρική πίεση σε αυτή που παρατηρούμε σήμερα.
Έτσι, παρόλο που και οι δύο πλανήτες ξεκίνησαν σχεδόν πανομοιότυπα, οι διαφορετικές αποστάσεις τους από τον Ήλιο τους έβαλαν σε διαφορετικά μονοπάτια. Η Γη έγινε πιο ευνοϊκή για τη ζωή, ενώ η Αφροδίτη γινόταν ολοένα και πιο αφιλόξενη.
-------------------*-------------------
*Μετάφραση από αγγλικά-Τα πλανητικά σχήματα είναι στερεά αντικείμενα που πιστεύεται ότι υπάρχουν σε πρωτοπλανητικούς δίσκους και δίσκους συντριμμιών. Σύμφωνα με την πλανησιακή υπόθεση Chamberlin – Moulton, πιστεύεται ότι σχηματίζονται από κόκκους κοσμικής σκόνης. Wikipedia (Αγγλικά)
-------------------*-------------------
Disclosure statement
Antony Burnham receives funding from the Australian Synchrotron. This research used resources of the Advanced Photon Source, a U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility operated for the DOE Office of Science by Argonne National Laboratory under contract no. DE-AC02-06CH11357.
Hugh O'Neill received funding from the Australian Research Council (grant FL130100066)
Συνεργάτες
Australian National University provides funding as a member of The Conversation AU.
The Conversation UK receives funding from these organisations
-------------------*-------------------
Πηγή: theconversation.com