Maan varhainen ilmakehä on yksi kiehtovimmista ja monimutkaisimmista aiheista, kun tutkitaan planeettamme ja elämän alkuperää. Ymmärtäminen, miten se sai alkunsa, mitkä olivat sen alkuperäiset komponentit ja kuinka se on muuttunut ajan myötä, ei vain auta meitä ymmärtämään menneisyyttämme, vaan tarjoaa myös vihjeitä muihin asumiskelpoisiin maailmoihin.
Kauan ennen kuin ilma koostui hapesta ja typestä, sellaisena kuin me sen nykyään tunnemme, käärittynä suojaavaan kerrokseen auringon säteilyä vastaan, ilmakehä oli vihamielinen ympäristö., täynnä myrkyllisiä kaasuja ja ilman jälkeäkään elämästä sellaisena kuin me sen ymmärrämme. Valtavan monimutkaisten geologisten, kemiallisten ja biologisten prosessien kautta tuo primitiivinen versio väistyi ympäristölle, joka mahdollisti elävien organismien evoluution.
Mikä on ilmapiiri ja miksi se on niin avainasemassa elämässä?
Ilmakehä on kaasumainen kerros, joka ympäröi taivaankappaletta, tässä tapauksessa maata. Se on paljon enemmän kuin pelkkä kaasuseos: se toimii suojakilvenä ja lämpötilansäätimenä, ja se on välttämätöntä elämän kehittymiselle ja ylläpitämiselle.
Nykyään maapallon ilmakehä koostuu pääasiassa typestä (78 %), hapesta (21 %) ja jäännöskaasujen, kuten hiilidioksidin, argonin, vesihöyryn ja otsonin, seoksesta.. Mutta tämä koostumus ei ole aina ollut tällainen, ja sen evoluutiota ovat leimanneet dramaattiset muutokset miljardien vuosien aikana.
Ensimmäinen miljoona vuotta: Hadicin kaaos
Noin 4.500 miljardia vuotta sitten Maa muodostui kosmisen pölyn ja kaasun pilvestä, joka synnytti aurinkokunnan.. Muutaman ensimmäisen miljoonan vuoden aikana, joka tunnetaan nimellä Hadic eon, planeetan pinta oli sulan magman valtameri, ja ilmakehä oli tuolloin erittäin epävakaa ja lyhytaikainen.
Tänä varhaisena aikana planeettaa pommittivat voimakkaasti meteoriitit tapahtumassa, joka tunnetaan nimellä myöhäinen raskas pommitus., 4.100 3.800–XNUMX XNUMX miljoonaa vuotta sitten. Nämä vaikutukset toivat mukanaan haihtuvia yhdisteitä, kuten vettä, ammoniakkia ja metaania, jotka vaikuttivat varhaisen ilmakehän ja valtamerten muodostumiseen.
Tärkeä tekijä, joka seurasi tätä alkuperäistä kaaosta, oli Kuun luominen. Uskotaan, että planeetan kokoinen esine, nimeltään Theia, törmäsi Maahan vapauttaen palasia, jotka saivat aikaan satelliittimme. Tämä tapahtuma vaikutti merkittävästi myös ilmakehän primitiiviseen rakenteeseen vapautuneen energian vuoksi.
Ensimmäinen maapallon ilmakehä: komponentit ja ominaisuudet
Hadithin väkivaltaisimpien tapahtumien jälkeen maa alkoi hitaasti jäähtyä, kunnes se salli kiinteän kuoren muodostumisen.. Tässä yhteydessä syntyi se, mitä tunnemme ensimmäisenä vakaana ilmapiirinä tai primitiivisenä ilmapiirinä.
Se ei sisältänyt vapaata happea, mutta se koostui suurelta osin vulkaanisista kaasuista: hiilidioksidista (CO2), vesihöyry (H2O), metaani (CH4), ammoniakki (NH3), rikki (SO2) ja typpi (N2). Tämä kaasumainen cocktail loi pelkistävän ilmakehän, mikä tarkoittaa, että se suosi kemiallisia reaktioita, jotka saivat elektroneja, päinvastoin kuin ne, jotka tapahtuvat hapen läsnä ollessa.
Suuret metaani- ja hiilidioksidipitoisuudet toimivat voimakkaina kasvihuonekaasuina., jonka ansiosta planeetta pystyi säilyttämään tarpeeksi lämpöä nestemäisen veden ylläpitämiseksi, vaikka nuori aurinko säteili vain 70 % nykyisestä lämmöstä.
Heikon auringon paradoksi: Kuinka maa pysyi lämpimänä?
Yksi kiehtovimmista kysymyksistä planeetan varhaisesta evoluutiosta on, kuinka nestemäistä vettä olisi voitu säilyttää maan pinnalla, jos aurinko olisi paljon himmeämpi.. Tämä ilmiö tunnetaan nuoren ja heikon auringon paradoksina.
Hyväksytty selitys tälle mysteerille on primitiivisen ilmakehän koostumuksessa.. Hiilidioksidin lisäksi metaanilla, joka on 20–25 kertaa tehokkaampi kasvihuonekaasu, oli ratkaiseva rooli maapallon lämpötilan pitämisessä korkealla.
Lisäksi lämpöä vaikuttivat myös muut tekijät, kuten Kuun läheisyydestä johtuva vuorovesikuumeneminen tai suurempi määrä radioaktiivisia elementtejä planeetan sisällä.. Kaikkien näiden elementtien yhdistelmä mahdollisti valtamerten pysymisen nestemäisessä tilassa, mikä on elämän ilmaantumisen avainedellytys.
Ensimmäinen geologinen todiste: mistä tiedämme, millainen ilmapiiri oli?
Suuri osa tiedosta, joka meillä on varhaisesta ilmakehästä, on peräisin hyvin vanhojen kivien analysoinnista.. Näitä ovat sedimenttimuodostelmat, nestesulkeumat, stromatoliitit ja isotooppianalyysit.
Selkeä esimerkki ovat BIF-muodostelmat tai nauhalliset rautamuodostelmat., jossa näkyy vuorotellen rautaoksidien ja piidioksidin kerroksia. Nämä muodostuivat rautaraudan (Fe2+) valtameressä alkoi hapettua ja saostua reagoidessaan fotosynteettisen elämän ensimmäisten muotojen tuottaman hapen kanssa.
Toisaalta mineraalit, kuten rikkikiisu (FeS2) muinaisissa sedimenttikivissä osoittavat, että ympäristö oli hapeton, koska tämä mineraali ei voi muodostua vapaan hapen läsnä ollessa.
Muinaisiin kiteisiin loukkuun jääneiden kaasujen sulkeumia on myös löydetty, joiden avulla voimme rekonstruoida tiettyjen ajanjaksojen ilmakehän koostumuksen melko tarkasti. Yhdistämällä kaikki nämä vihjeet on ollut mahdollista jäljittää progressiivinen evoluutio ilmakehästä, jossa ei ole happea, ilmakehään, jossa on runsaasti O.2.
Biologinen vallankumous: syanobakteerit ja suuri hapettuminen
Sinilevien ilmaantuminen on yksi ilmakehän historian merkittävimmistä hetkistä. Nämä fotosynteettiset bakteerit, jotka ovat edelleen olemassa, alkoivat käyttää auringonvaloa ja hiilidioksidia energian tuottamiseen, jolloin sivutuotteena syntyy happea.
Satojen miljoonien vuosien aikana valtameret ja kivet absorboivat tuotetun hapen.. Erityisesti se reagoi liuenneen raudan kanssa aiheuttaen rautaoksidien saostumista ja edellä mainittujen BIF:ien muodostumista. Vasta kun nämä järjestelmät kyllästyivät, happea alkoi kertyä ilmakehään.
Tämä suurena hapettumana tunnettu tapahtuma tapahtui noin 2.400 miljardia vuotta sitten ja sillä oli tuhoisat ja vallankumoukselliset seuraukset samaan aikaan.. Monet anaerobiset lajit eivät selvinneet uudesta hapettavasta ympäristöstä, kun taas toiset kehittivät mekanismeja hyödyntääkseen happea, kuten aerobista soluhengitystä.
Ilmastonmuutokset ja ensimmäiset jääkaudet
Suuren hapettumisen sivuvaikutus oli ilmakehän metaanin väheneminenreagoimalla hapen kanssa muodostaen hiilidioksidia ja vettä. Koska metaani oli voimakkaampi kasvihuonekaasu, sen lasku aiheutti jyrkän laskun maapallon lämpötiloissa.
Tästä syntyi ensimmäinen suuri jäätikkö maan päällä: Huronin jäätikkö.. Jotkut tutkijat uskovat, että tämä tapahtuma saattoi olla niin äärimmäinen, että maapallosta tuli täysin jäätynyt "lumipallo", ilmiö, josta kiistellään edelleen, mutta erittäin uskottava.
Proterotsoisen eonin aikana tapahtui ainakin kolme muuta merkittävää jäätikköä, jonka kestoa ja laajuutta tutkitaan edelleen. Maa värähteli lämpimien ja kylmien kausien välillä, mikä johtuu usein pienistä kasvihuonekaasujen, tulivuoren toiminnan, levytektoniikan ja planeettojen kiertoradan epätasapainoista.
Ilmakehä ja monimutkaisten organismien syntyminen
Korkeamman happipitoisuuden myötä evoluution harppaus kohti eukaryoottisia organismeja tuli mahdolliseksi. Niillä on määritelty ydin ja organellit, kuten mitokondriot ja kloroplastit, jotka käyttävät tätä happea energian tuottamiseen tehokkaammin kuin anaerobinen käyminen.
Nämä solujen edistykset mahdollistivat pian monisoluisten olentojen ilmaantumisen, jotka kehittyivät monimutkaisemmiksi eläin- ja kasvielämän muodoiksi.. Myös otsonikerros (O) muodostui3), joka suojaa Maan pintaa ultraviolettisäteilyltä ja helpottaa maanpäällisten ympäristöjen kolonisaatiota.
Primitiivisen ja nykyisen ilmapiirin vertailu
| kaasu | Primitiivinen tunnelma | Nykyinen ilmapiiri |
|---|---|---|
| Typpi (N)2) | Läsnä pienemmässä suhteessa | ~ 78% |
| Happi (O2) | Vähän tai olematon | ~ 21% |
| hiilidioksidi (CO2) | Erittäin runsas | ~ 0.04% |
| Metaani (CH4) | Esiintyy suuria määriä | Jäljittää |
| Vesihöyry (H2O) | Erittäin vaihteleva, mutta runsas | Vaihtelee ilmastosta riippuen |
Ilmakehä testinä muiden planeettojen tutkimiseen
Maan ilmakehän evoluutioon liittyvää tietoa käytetään myös muiden taivaankappaleiden ilmakehän analysointiin., kuten Mars, Venus tai eksoplaneetat. Niiden ominaisuuksien tutkiminen auttaa selvittämään, voisivatko he tukea elämää vai olisivatko he koskaan tehneet.
Samoin sen ymmärtäminen, kuinka pienet kaasujen vaihtelut voivat käynnistää massiivisia muutoksia ilmastossa ja biosfäärissä, on avainasemassa nykyisen tasapainon haurauden ymmärtämisessä.. Tällä on suoria sovelluksia maan nykyisen ilmastonmuutoksen analysoinnissa.
Hadisilikaattihöyryistä otsonin läsnäoloon nykyaikaisessa stratosfäärissä, Maan ilmakehä on ollut vuorovaikutteisen ja dynaamisen prosessin tulos.. Geologia, biologia ja tähtitiede kietoutuvat yhteen rakentamaan tätä tarinaa, joka antaa merkityksen alkuperällemme ja tulevaisuudellemme.