За часів Хадея Еона, близько 4,5 мільярдів років тому, світ був набагато іншим місцем, ніж сьогодні. Також у цей час вибух і вулканічна активність створювали споконвічну атмосферу, що складається з вуглекислого газу, водню та водяної пари.
Мало цієї первісної атмосфери залишається, і геотермальні дані свідчать про те, що атмосфера Землі, можливо, була повністю знищена щонайменше двічі з моменту її утворення більше 4 мільярдів років тому. До недавнього часу вчені не були впевнені, що могло спричинити цю втрату.
Але нове дослідження MIT, Hebrew Univeristy та Caltech вказує на те, що інтенсивне обстріл метеоритів у цей період, можливо, спричинило наслідки.
Це метеоричне обстріл відбулося б приблизно в той же час, коли утворився Місяць. Інтенсивне бомбардування космічних скель би виштовхнуло хмари з достатньою силою, щоб постійно викидати атмосферу в космос. Такі удари, можливо, підірвали й інші планети, і навіть очистили атмосферу Венери та Марса.
Насправді, дослідники виявили, що маленькі планетимасили можуть бути набагато ефективнішими, ніж великі удари - наприклад, Тея, зіткнення якої із Землею, як вважають, утворило Місяць - у русі втрат атмосфери. Виходячи з їхніх розрахунків, це мало б величезний вплив, щоб розпорошити більшу частину атмосфери; але разом узяте, багато дрібних впливів мали б однаковий ефект.
Гільке Шліхтінг, доцент кафедри наук про Землю, атмосферу та планетарні науки MIT, каже, що розуміння драйверів давньої атмосфери Землі може допомогти вченим визначити ранні планетарні умови, які спонукали до формування життя.
"[Цей висновок] встановлює зовсім іншу початкову умову, якою була, швидше за все, атмосфера ранньої Землі", - говорить Шліхтінг. "Це дає нам нову відправну точку для спроби зрозуміти, який був склад атмосфери та які умови для розвитку життя".
Більше того, група вивчила, скільки атмосфери було збережено та втрачено після ударів із гігантськими, розмірами Марса та більшими тілами та меншими ударами розміром 25 кілометрів чи менше.
Вони виявили, що зіткнення з ударом, настільки масштабним, як Марс, призведе до необхідного ефекту, що призведе до масивної ударної хвилі у внутрішніх просторах Землі і, можливо, викине значну частину атмосфери планети.
Однак дослідники визначили, що такого впливу, швидше за все, не сталося, оскільки це перетворило б внутрішнє середовище Землі в однорідну суспензію. Зважаючи на появу різноманітних елементів, що спостерігаються у внутрішніх просторах Землі, подібна подія, схоже, не відбулася в минулому.
Навпаки, серія менших ударів породжувала б вибух різного роду, вивільняючи шум сміття та газу. Найбільший з цих ударів був би досить сильним, щоб викинути весь газ з атмосфери безпосередньо над зоною удару. Лише частину цієї атмосфери було б втрачено після менших ударів, але команда вважає, що десятки тисяч маленьких ударників могли її зняти.
Такий сценарій, швидше за все, стався 4,5 мільярда років тому за часів Хадея. Цей період був одним з галактичних хаосів, оскільки сотні тисяч космічних скель кружляли навколо Сонячної системи, і багато хто, як вважають, зіткнулися з Землею.
"Напевно, у нас тоді були всі ці менші удари", - говорить Шліхтінг. "Один невеликий вплив не може позбутися більшої частини атмосфери, але в сукупності вони набагато ефективніші, ніж гігантські удари, і можуть легко викинути всю атмосферу Землі".
Однак Шліхтінг та її команда зрозуміли, що сумарний ефект невеликих ударів може бути надто ефективним при русі атмосферних втрат. Інші вчені виміряли атмосферний склад Землі порівняно з Венерою та Марсом; і порівняно з Венерою, благородні гази Землі виснажуються в 100 разів. Якби ці планети піддавались такому ж блиску невеликих ударів у своїй ранній історії, то на Венері сьогодні не було б атмосфери.
Вона та її колеги повернулися до сценарію з малим ударом, щоб спробувати врахувати цю різницю в планетарній атмосфері. На основі подальших розрахунків команда визначила цікавий ефект: Після того, як половина атмосфери планети була втрачена, маленьким ударам повітря стає набагато легше викидати решту газу.
Дослідники підрахували, що атмосфера Венери повинна починатися лише трохи масивніше, ніж Земля, щоб невеликі удари могли розмити першу половину земної атмосфери, зберігаючи недоторканість Венери. З цього моменту Шліхтінг описує явище як "утікаючий процес - коли вам вдасться позбутися першої половини, друга половина стає ще простішою".
Це породило ще одне важливе питання: що врешті-решт замінило атмосферу Землі? Після подальших розрахунків Шліхтінг та її команда виявили однакові ударники, що викинутий газ також міг ввести нові гази або летючі речовини.
"Коли трапляється удар, він плавиться планетно, і його летючі речовини можуть потрапляти в атмосферу", - говорить Шліхтінг. "Вони не тільки можуть виснажувати, але й поповнювати частину атмосфери".
Група підрахувала кількість летючих речовин, які можуть виділятися скелею заданого складу і маси, і виявило, що значна частина атмосфери, можливо, поповнилася під впливом десятків тисяч космічних порід.
"Наші цифри реалістичні, враховуючи те, що ми знаємо про мінливий вміст різних гірських порід", - зазначає Шліхтінг.
Джей Мелош, професор земляних, атмосферних та планетарних наук університету Пердю, каже, що висновок Шліхтінга є дивовижним, оскільки більшість вчених припускають, що атмосфера Землі була знищена одним гігантським впливом. Інші теорії, за його словами, викликають сильний потік ультрафіолетового випромінювання від сонця, а також "незвично активний сонячний вітер".
"Те, як Земля втратила свою споконвічну атмосферу, вже давньою проблемою. Цей документ проходить довгий шлях до вирішення цієї загадки", - каже Мелош, який не взяв участь у дослідженні. "Життя почалося на Землі приблизно в цей час, і тому відповідь на питання про те, як атмосфера була втрачена, говорить нам про те, що, можливо, спричинило початок життя".
Вперед, Шліхтінг сподівається більш детально вивчити умови, що лежать в основі раннього формування Землі, включаючи взаємозв'язок між викидом летючих речовин з малих ударів та стародавнім магматичним океаном Землі.
"Ми хочемо з'єднати ці геофізичні процеси, щоб визначити, який був найбільш вірогідний склад атмосфери в нульовий час, коли Земля щойно утворилася, і сподіваємось визначити умови для еволюції життя", - говорить Шліхтінг.
Шліхтінг та її колеги опублікували свої результати у лютневому виданні журналу Icarus.
