För mer än 2,4 miljarder år sedan, Jordens atmosfär var ogästvänlig, fylld med giftiga gaser som drev vilt fluktuerande yttemperaturer. Att förstå hur dagens värld av milda klimat och andningsbar luft tog form är en grundläggande fråga inom geovetenskapen.

Ny forskning från University of Maryland, University of St. Andrews, NASA:s Jet Propulsion Laboratory, University of Leeds och Blue Marble Space Institute of Science antyder att för länge sedan, Jordens atmosfär tillbringade ungefär en miljon år fylld av ett metanrikt dis. Detta dis drev ut en stor mängd väte ur atmosfären, bana väg för enorma mängder syre att fylla luften. Denna omvandling resulterade i en atmosfär ungefär som den som upprätthåller livet på jorden idag.

Gruppens resultat, publicerad 13 mars, 2017 i den tidiga onlineupplagan av Proceedings of the National Academy of Sciences , föreslå en ny bidragande orsak till den stora oxidationshändelsen, som inträffade för 2,4 miljarder år sedan, när syrekoncentrationen i jordens atmosfär ökade med mer än 10, 000 gånger.

"Omvandlingen av jordens luft från en giftig blandning till en mer välkomnande, syrerik atmosfär inträffade i ett geologiskt ögonblick, sa James Farquhar, en professor i geologi vid UMD och en medförfattare till studien. Farquhar har också en tid vid UMD:s Earth System Science Interdisciplinary Center. "Med denna studie, vi har äntligen den första kompletta bilden av hur metanhaze fick detta att hända."

Forskarna använde detaljerade kemiska register och sofistikerade atmosfäriska modeller för att rekonstruera atmosfärisk kemi under tidsperioden omedelbart före den stora oxidationshändelsen. Deras resultat tyder på att forntida bakterier - det enda livet på jorden vid den tiden - producerade enorma mängder metan som reagerade för att fylla luften med ett tjockt dis, liknar den moderna atmosfären av Saturnus måne Titan.

Tidigare studier av många av samma forskare hade identifierat flera sådana dis-händelser tidigt i jordens historia. Men den aktuella studien är den första som visar hur snabbt dessa händelser började och hur länge de varade.

"Höga metannivåer innebar att mer väte, huvudgasen som förhindrar uppbyggnaden av syre, kunde fly ut i rymden, banar väg för global syresättning, sa Aubrey Zerkle, en biogeokemist vid University of St. Andrews och medförfattare till studien. "Vår nya datauppsättning utgör den högsta upplösningen av arkeisk atmosfärskemi som någonsin producerats, och målar upp en dramatisk bild av jordens ytförhållanden före syresättningen av vår planet."

Metandiset höll i sig i ungefär en miljon år. Efter att tillräckligt med väte lämnat atmosfären, de rätta kemiska förhållandena tog över och syreboomen började, möjliggör utvecklingen av allt flercelligt liv.

Nyckeln till forskarnas analys var upptäckten av anomala mönster av svavelisotoper i geokemiska register från denna tid. Svavelisotoper används ofta som en proxy för att rekonstruera antika atmosfäriska förhållanden, men tidigare undersökningar av den aktuella tidsperioden hade inte avslöjat något alltför ovanligt.

"Att rekonstruera utvecklingen av atmosfärisk kemi har länge varit i fokus för geokemisk forskning, " sa Gareth Izon, huvudförfattare till studien, som bidrog till forskningen medan han var postdoktor vid St. Andrews och nu är postdoktor vid Massachusetts Institute of Technology. "Våra nya data visar att atmosfärens kemiska sammansättning var dynamisk och, åtminstone i upptakten till den stora oxidationshändelsen, överkänslig för biologisk reglering."

Forskningsdokumentet, "Biologisk reglering av atmosfärisk kemi på väg till planetarisk syresättning, "Gareth Izon, Aubrey Zerkle, Kenneth Williford, James Farquar, Simon Poulton, och Mark Claire, publicerades 13 mars, 2017 i Proceedings of the National Academy of Sciences .