Четыре с половиной миллиарда лет назад Землю было бы трудно узнать. Вместо лесов, гор и океанов, которые мы знаем сегодня, поверхность нашей планеты была полностью покрыта магмой — расплавленным скалистым материалом, который появляется при извержении вулканов. С этим согласны большинство ученых. Менее ясно то, какой была атмосфера в то время. Новые международные исследования, возглавляемые Паоло Сосси, старшим научным сотрудником ETH Zurich и NCCR PlanetS, направлены на раскрытие некоторых загадок первозданной атмосферы Земли. Результаты их исследований были опубликованы в журнале Science Advances.
Чтобы узнать о первозданной атмосфере Земли, которая сильно отличалась от нынешней, исследователи создали свою собственную магму в лаборатории. Они сделали это, смешав порошок, который соответствовал составу расплавленной мантии Земли, и нагрели его. То, что звучит просто, требовало последних технологических достижений, как отмечает сами авторы. Состав мантийного порошка затруднял плавление и требовались использовать очень высокие температуры близкие к 2000°C.
Для этого требовалась специальная печь, которая нагревалась лазером и внутри которой исследователи могли левитировать магму, позволяя потокам газовых смесей течь вокруг нее. Эти газовые смеси были вероятными кандидатами в первобытную атмосферу, которая, как и 4,5 миллиарда лет назад, влияла на магму. Таким образом, с каждой смесью газов, обтекающей образец, магма оказывалась немного разной.
Ключевое отличие, которое искали ученые, заключалось в том, как окисляется железо в магме. Когда железо встречается с кислородом, оно окисляется и превращается в то, что мы обычно называем ржавчиной. Таким образом, когда газовая смесь, которую ученые продували над своей магмой, содержала много кислорода, железо внутри магмы становилось более окисленным.
Такой уровень окисления железа в остывшей магме дал Сосси и его коллегам то, что они могли сравнить с природными породами, которые составляют сегодняшнюю мантию Земли — так называемыми перидотитами. Окисление железа в этих породах до сих пор находится под влиянием первозданной атмосферы, запечатленной в них. Таким образом, сравнение природных перидотитов и перидотитов из лаборатории дало ученым ключ к разгадке того, какая из их газовых смесей наиболее близка к первозданной атмосфере Земли.
Исследователи обнаружили, что после охлаждения из состояния магмы молодая Земля имела слегка окисляющуюся атмосферу с углекислым газом в качестве основного компонента, а также азотом и небольшим количеством воды. Поверхностное давление также было намного выше, почти в сто раз больше, чем сегодня, и атмосфера была намного выше из-за горячей поверхности. Эти характеристики сделали ее более похожей на атмосферу сегодняшней Венеры, чем на сегодняшнюю Землю.
По словам Сосси и его коллег, из этого результата можно сделать два основных вывода: первый заключается в том, что Земля и Венера начинали с очень похожей атмосферой, но последняя потеряла воду из-за более близкой близости к Солнцу и связанных с этим более высоких температур. Земля, однако, хранила воду, прежде всего в форме океанов. Они поглощали большую часть CO2 из воздуха, тем самым значительно снижая его уровень.
Второй вывод заключается в том, что популярная теория возникновения жизни на Земле сейчас кажется гораздо менее вероятной. Этот так называемый «эксперимент Миллера-Юри», в котором удары молнии взаимодействуют с определенными газами (в частности, с аммиаком и метаном) с образованием аминокислот — строительных блоков жизни, — было бы трудно реализовать. Необходимых для этого газов просто не было.
