Onderzoek dat deels werd uitgevoerd bij de Advanced Photon Source hielp wetenschappers de samenstelling van de eerste atmosfeer van de aarde te ontdekken. Wat ze vonden roept vragen op over de oorsprong van het leven op aarde.

Een lange tijd geleden, terwijl ons zonnestelsel zich vormde tot de planeten die we nu kennen, De aarde was in wezen een gigantische bal van gesmolten lava. Ongeveer 4,5 miljard jaar geleden, wetenschappers geloven dat de aarde in botsing kwam met een planeet ter grootte van Mars. De energie van deze catastrofale botsing blies de bestaande atmosfeer van de aarde de ruimte in, schiep onze maan, en deed de hele planeet smelten.

Overuren, uit deze wereldwijde magma-oceaan komen gassen vrij zoals stikstof, waterstof, koolstof en zuurstof, een nieuwe sfeer creëren, de oudste versie van degene die we vandaag hebben. Maar wat, precies, was die vroege sfeer? En waarom is onze atmosfeer nu zo anders dan die van onze kosmische buren? Deze vragen hebben wetenschappers generaties lang in verwarring gebracht, maar de antwoorden zijn ons tot voor kort ontgaan.

Nu heeft een internationaal team van wetenschappers die de oorsprong van de atmosfeer van de aarde onderzochten, ontdekt dat die van ons ooit erg leek op de atmosfeer die tegenwoordig op Venus en Mars wordt aangetroffen. Hun bevindingen, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , implicaties hebben die veel verder gaan dan de chemische samenstelling van de vroege atmosfeer van de aarde, omdat de resultaten gaten prikken in een populaire theorie over de evolutie van het leven zelf.

Het blijkt dat aanwijzingen voor de vroege atmosfeer van de aarde waren begraven in onze oudste rotsen. Wat er nodig was om ze te ontdekken was een laseroven, een zwevende bal van lava en de Advanced Photon Source (APS), een US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility bij DOE's Argonne National Laboratory.

Het onderzoeksteam, onder leiding van Paolo Sossi, nu een senior research fellow aan de Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich en het National Center of Competence in Research (NCCR) PlanetS, erop uit om deze geheimen te ontrafelen. Hoewel ze de oude atmosfeer van de aarde niet rechtstreeks konden meten, ze vonden een manier om de exacte samenstelling van de atmosfeer te meten toen de oudste rotsen van de aarde werden gevormd.

"Vier-en-een-half miljard jaar geleden, het magma - het gesmolten gesteente dat nu onder de aardkorst ligt - wisselde constant gassen uit met de bovenliggende atmosfeer, " legde Sossi uit. "De lucht en het magma beïnvloedden elkaar. Dus, je kunt over het een van het ander leren."

Als magma afkoelt en in steen verandert, het legt vast hoe de atmosfeer op dat moment was. Magma is rijk aan ijzer, en de oxidatietoestand van ijzer in de rotsen (in wezen de chemische samenstelling van zijn roest) geeft wetenschappers een indicatie van hoe de vroege atmosfeer van de aarde eruit zag, en hoeveel zuurstof er op dat moment beschikbaar was. Als er meer zuurstof in de atmosfeer is, ijzerbindingen met zuurstof in een verhouding van 2:3, en de atmosfeer is rijk aan stikstof en koolstofdioxide. Als er minder zuurstof beschikbaar is, de verhouding is 1:1, en de atmosfeer bevat meer methaan en ammoniak.

Echter, om de exacte samenstelling van de vroege atmosfeer van de aarde te begrijpen, de wetenschappers moesten in het laboratorium een ​​miniatuurversie van de vroege aarde (en haar atmosfeer) maken. Om dit te doen, ze assembleerden de elementaire componenten van de vroege aardmantel (bekend bij geologen bij peridotiet), verwarmde het met een laser totdat het gesmolten lava werd en liet toen deze bal van gesmolten lava zweven in een stroom gas die bedoeld was om de vroegste atmosfeer van de aarde te vertegenwoordigen.

Toen de lava afkoelde, de glazen bol zo groot als een knikker die overbleef, had een record vastgelegd van de chemische reactie tussen de lava en de atmosfeer in het ijzer dat het bevatte. De technologische vooruitgang die dit experiment mogelijk maakte, kwam pas recent tot stand. Om peridotiet te smelten, je moet het erg snappen, zeer heet - bijna 2000°C - en laat het dan snel afkoelen om de chemie bij hoge temperaturen te behouden. De mogelijkheid om dit te doen werd mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van een nieuwe laseroventechniek.

De wetenschappers herhaalden het experiment een aantal keren met behulp van verschillende chemische samenstellingen van gassen die in de vroege atmosfeer hadden kunnen bestaan, bestudeerde vervolgens de ijzeroxidatietoestand in de monsters, op zoek naar degenen die het meest leken op die gevonden in de mantelgesteenten van de aarde. Door de oxidatietoestand van ijzer in natuurlijke gesteenten te vergelijken met die gevormd in het laboratorium, kregen de wetenschappers een idee van welk van hun gasmengsels overeenkwam met de vroege atmosfeer van de aarde.

"We ontdekten dat de atmosfeer waarvan we berekenden dat ze miljarden jaren geleden op aarde aanwezig was, qua samenstelling vergelijkbaar was met wat we vandaag op Venus en Mars vinden, " zei Sossi, die wisten dat hij de juiste atmosferische samenstelling had toen de ijzeroxidatietoestand in hun monster overeenkwam met die in oude gesteenten uit de aardmantel. "Als je een atmosfeer hebt die is geproduceerd uit magma in de juiste oxidatietoestand, je krijgt er een die bestaat uit ongeveer 97 procent koolstofdioxide en 3 procent stikstof zodra het afkoelt, dezelfde verhouding gevonden vandaag op Venus en Mars."

Voor jaren, geologen hebben zich tot het APS gewend om de samenstelling van gesteenten en de oxidatietoestand van het ijzer dat zich daarin bevindt te bestuderen. Een bepaalde bundellijn bij de APS beheerd door wetenschappers van de Universiteit van Chicago, GeoSoilEnviroCARS (13-ID-E), is uitgegroeid tot een wereldleider in dit soort onderzoek en analyse. Toen het tijd was voor de wetenschappers om hun monsters te laten analyseren, er was een duidelijke plek om naartoe te gaan.

"De APS geeft ons de mogelijkheid om zeer kleine bundels te maken waarmee we dit soort analyses kunnen doen, " zei Matt Newville, een senior onderzoeksmedewerker en beamline-wetenschapper bij de APS en een auteur op het papier. De bundellijn waaraan hij werkt, kan zijn bundels focussen tot een diameter van slechts 1 micron - ongeveer 50 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar - waardoor wetenschappers zeer nauwkeurige en nauwkeurige metingen van hun monsters kunnen doen.

"We doen dit soort analyses altijd op rotsen, maar dit waren verbazingwekkend goed gemaakte voorbeelden, "zei Newville. "Dat ze in staat waren om deze monsters te krijgen die erg goed waren in het simuleren van het effect van de vroege atmosfeer is echt ongelooflijk."

Deze monsters bieden niet alleen een manier om de samenstelling van de oude atmosfeer van de aarde te meten, maar ze leggen ook een aantal geologische beperkingen op aan een populaire theorie over de oorsprong van het leven. In de jaren vijftig, Stanley Miller voerde een baanbrekend experiment uit aan de Universiteit van Chicago en toonde aan dat aminozuren - de bouwstenen van het leven - zich zouden vormen in een omgeving met vloeibaar water en lucht die rijk is aan methaan en ammoniak wanneer ze met elektriciteit worden gezapt om bliksem te simuleren. Destijds, dit waren de omstandigheden waarvan werd aangenomen dat ze bestonden op de vroege aarde.

Echter, als de vroege atmosfeer van de aarde in plaats daarvan rijk was aan koolstofdioxide en stikstof, zoals dit nieuwe onderzoek aangeeft, het zou het voor deze aminozuren moeilijker maken om zich te vormen.

Deze experimenten hielpen ook bij het beantwoorden van vragen waarom de huidige atmosfeer van de aarde zo anders is dan onze naburige planeten. Op aarde, vloeibaar water gevormd uit deze door magma gemaakte atmosfeer, koolstofdioxide uit de lucht en in nieuw gevormde oceanen te trekken. Sossi zei dat omdat alle drie de planeten - de aarde, Venus en Mars - werden gevormd uit vergelijkbare materialen, het waren de gecombineerde effecten van zowel de grote massa van de aarde als de specifieke afstand tot de zon die het mogelijk maakte om vloeibaar water op het oppervlak vast te houden, die vervolgens een kooldioxide-opname veroorzaakte. Terwijl dat op Venus niet het geval was omdat het te warm was, of op Mars omdat het te koud was.

Nu Sossi heeft ontdekt wat voor soort atmosfeer zich vormt van een magma-aarde, hij richt zijn blik op de sterren. Met behulp van een wijziging van deze experimentele techniek, hij hoopt een manier te vinden om de samenstelling van de atmosfeer met infrarood te meten, zodat we ooit satellieten kunnen gebruiken om magmawerelden te bestuderen die tegenwoordig in andere zonnestelsels kunnen bestaan.