Hadean Eon -kauden aikana, noin 4,5 miljardia vuotta sitten, maailma oli paljon erilainen paikka kuin nykyään. Samanaikaisesti kaasunpoisto ja vulkaaninen aktiivisuus tuottivat ensisijaisen ilmakehän, joka koostui hiilidioksidista, vedystä ja vesihöyrystä.
Pieni osa tästä alkuperäisestä ilmakehästä on jäljellä, ja geotermiset todisteet viittaavat siihen, että maapallon ilmapiiri on saattanut hävitä kokonaan vähintään kahdesti sen perustamisen jälkeen yli 4 miljardia vuotta sitten. Viime aikoihin asti tutkijat olivat epävarmoja siitä, mikä olisi voinut aiheuttaa tämän menetyksen.
Mutta MIT: n, heprealaisen yliopiston ja Caltechin uusi tutkimus osoittaa, että meteoritien voimakas pommitus tällä ajanjaksolla on saattanut olla vastuussa.
Tämä meteorinen pommitus olisi tapahtunut suunnilleen samaan aikaan kun Kuu muodostui. Avaruuskivien voimakas pommitus olisi potkaissut kaasupilviä riittävän voimalla atmosfäärin pysyväksi poistamiseksi avaruuteen. Tällaiset vaikutukset ovat saattaneet räjäyttää myös muita planeettoja ja jopa kuorita Venuksen ja Marsin ilmakehän.
Itse asiassa tutkijat havaitsivat, että pienet planeetanimit voivat olla paljon tehokkaampia kuin suuret iskulaitteet - kuten Theia, jonka törmäyksen maan kanssa uskotaan muodostaneen Kuu - ajaessaan ilmakehän häviötä. Heidän laskelmiensa perusteella suurimman osan ilmakehästä leviäminen vaatii suuria vaikutuksia; mutta yhdessä ottaen monilla pienillä vaikutuksilla olisi sama vaikutus.
MIT: n maapallon, ilmakehän ja planeettatieteiden laitoksen apulaisprofessori Hilke Schlichting sanoo, että maan muinaisen ilmapiirin ajureiden ymmärtäminen voi auttaa tutkijoita tunnistamaan varhaiset planeettaolosuhteet, jotka rohkaisivat elämän muodostumiseen.
"[Tämä havainto] asettaa hyvin erilaiset lähtöolosuhteet sille, millainen varhainen maan ilmapiiri todennäköisesti oli", Schlichting sanoo. "Se antaa meille uuden lähtökohdan yrittää ymmärtää, mikä oli ilmakehän koostumus ja mitkä olivat olosuhteet elämän kehittämiselle."
Lisäksi ryhmä tutki, kuinka paljon ilmapiiriä pidettiin ja kadotettiin iskujen seurauksena jättiläisillä, Marsin kokoisilla ja isommilla kappaleilla ja pienemmillä, 25 kilometriä tai vähemmän sijaitsevilla iskulaitteilla.
He löysivät, että törmäyksellä niin massiiviseen kuin Marsiin kohdistuvaan iskulaitteeseen olisi välttämätön vaikutus, koska se aiheuttaisi massiivisen iskuaallon Maan sisäpuolelta ja karkottaa mahdollisesti merkittävän osan planeetan ilmakehästä.
Tutkijat kuitenkin päättivät, että tällaista vaikutusta ei todennäköisesti tapahtunut, koska se olisi muuttanut Maan sisätilat homogeeniseksi lietteeksi. Maan sisätiloissa havaittujen erilaisten elementtien esiintymisen vuoksi tällaista tapahtumaa ei näytä tapahtuneen aiemmin.
Sarja pienempiä iskulaitteita puolestaan aiheuttaisi eräänlaisen räjähdyksen vapauttaen roskien ja kaasun. Suurin näistä iskulaitteista olisi riittävän voimakas poistamaan kaiken kaasun ilmakehästä välittömästi iskuvyöhykkeen yläpuolella. Vain murto-osa tästä ilmakehästä menetettäisiin pienempien iskujen seurauksena, mutta ryhmän arvion mukaan kymmeniä tuhansia pieniä iskuelementtejä olisi voinut vetää sen pois.
Tällainen skenaario tapahtui todennäköisesti 4,5 miljardia vuotta sitten Hadean Eonin aikana. Tämä ajanjakso oli yksi galaktisesta kaaoksesta, koska sadat tuhannet avaruuskivet pyörivät aurinkokunnan ympärillä ja monien uskotaan törmäneen maahan.
"Varmasti, meillä oli silloin kaikki nämä pienemmät iskulaitteet", Schlichting sanoo. "Yksi pieni isku ei voi päästä eroon suurimmasta osasta ilmakehää, mutta yhdessä ne ovat paljon tehokkaampia kuin jättiläisvaikutukset ja voivat helposti poistaa kaiken maan ilmakehän."
Schlichting ja hänen tiiminsä kuitenkin ymmärsivät, että pienten iskujen summavaikutus voi olla liian tehokas ilmakehän häviämisessä. Muut tutkijat ovat mitanneet maan ilmakehän koostumuksen verrattuna Venukseen ja Marsiin; ja verrattuna Venukseen, maan jalokaasut ovat ehtyneet 100-kertaisesti. Jos nämä planeetat olisivat jo varhaisessa historiassaan saaneet alkunsa samoille pienille iskuelementeille, Venuksella ei olisi tänään ilmapiiriä.
Hän ja hänen kollegansa palasivat takaisin pienimuotoiseen kohtaukseen yrittäessään ottaa huomioon tämän planeetta-ilmakehän eron. Lisälaskelmien perusteella ryhmä havaitsi mielenkiintoisen vaikutuksen: Kun puolet planeetan ilmakehästä on hävinnyt, pienten iskuelementtien on paljon helpompaa purkaa loput kaasu.
Tutkijat laskivat, että Venuksen ilmakehän pitäisi alkaa olla vain hieman massiivisempi kuin Maan, jotta pienet iskulaitteet tuhoavat maapallon ilmakehän ensimmäisen puolikkaan pitäen samalla Venuksen koskemattomana. Siitä lähtien Schlichting kuvaa ilmiötä "karkaistuna prosessina - kun onnistut eroon ensimmäisestä puoliskosta, toinen puoli on vielä helpompaa".
Tämä herätti toisen tärkeän kysymyksen: Mikä lopulta korvasi maan ilmakehän? Lisälaskelmissa Schlichting ja hänen tiiminsä löysivät samat iskulaitteet, jotka myös poistivat kaasua, saattaneen tuoda uusia kaasuja tai haihtuvia aineita.
"Kun isku tapahtuu, se sulaa tason pienin, ja sen haihtuvat aineet voivat päästä ilmakehään", Schlichting sanoo. "Ne eivät vain tuhoa, vaan täydentävät myös osa ilmapiiriä."
Ryhmä laski haihtuvien yhdisteiden määrän, jota tietyn koostumuksen ja massan kallio voi vapauttaa, ja havaitsi, että kymmenien tuhansien avaruuskivien vaikutukset ovat voineet täydentää merkittävän osan ilmakehästä.
"Numeromme ovat realistisia, kun otetaan huomioon se, mitä tiedämme olemassa olevien erilaisten kivien haihtuvasta sisällöstä", Schlichting toteaa.
Purduen yliopiston maapallon, ilmakehän ja planeettatieteiden professori Jay Melosh sanoo, että Schlichtingin johtopäätös on yllättävä, koska useimpien tutkijoiden mielestä maapallon ilmapiiri hävitettiin yhdellä, jättiläisellä vaikutuksella. Hänen mukaansa muut teoriat vetoavat voimakkaaseen auringon ultraviolettisäteilyn vuotoon ja ”epätavallisen aktiiviseen aurinkotuuliin”.
"Se, kuinka maapallot menettivät alkuperäisen ilmapiirinsä, on ollut pitkäaikainen ongelma, ja tämä artikkeli menee pitkälle kohti tämän arvoituksen ratkaisemista", sanoo Melosh, joka ei osallistunut tutkimukseen. "Elämä alkoi maapallolla noin tällä kertaa, joten vastaus kysymykseen siitä, miten ilmapiiri hävisi, kertoo meille, mikä on saattanut alkaa elämän alkuperästä."
Jatkossa Schlichting toivoo tutkivan tarkemmin Maan varhaisen muodostumisen taustalla olevia olosuhteita, mukaan lukien vuorovaikutusta haihtuvien hiukkasten vapautumisen pienistä iskulaitteista ja Maan muinaisesta magmamerestä.
"Haluamme yhdistää nämä geofysikaaliset prosessit selvittääksemme mikä oli ilmakehän todennäköisin koostumus nolla-aikaan, kun maa juuri muodostui, ja toivottavasti tunnistamaan olosuhteet elämän kehitykselle", Schlichting sanoo.
Schlichting ja hänen kollegansa ovat julkaisseet tuloksensa Icarus-lehden helmikuun numerossa.
