Ett team av internationella forskare ledda av ETH-forskaren Paolo Sossi har fått nya insikter om jordens atmosfär för 4,5 miljarder år sedan. Deras resultat har konsekvenser för livets möjliga ursprung på jorden.

För fyra och en halv miljard år sedan, Jorden skulle ha varit svår att känna igen. Istället för skogarna, berg och hav som vi känner idag, ytan på vår planet var helt täckt av magma – det smälta steniga materialet som kommer fram när vulkaner får utbrott. Så mycket är vetenskapssamfundet överens om. Det som är mindre tydligt är hur atmosfären var då. Nya internationella forskningsinsatser ledda av Paolo Sossi, senior forskare vid ETH Zürich och NCCR PlanetS, försök att lyfta några av mysterierna i jordens uratmosfär. Resultaten publicerades idag i tidskriften Vetenskapens framsteg .

Att göra magma i laboratoriet

"För fyra och en halv miljard år sedan, magman utbytte ständigt gaser med den överliggande atmosfären, " Sossi börjar förklara. "Luften och magman påverkade varandra. Så, du kan lära dig om det ena av det andra."

För att lära dig mer om jordens uratmosfär, som var väldigt annorlunda från vad det är idag, forskarna skapade därför sin egen magma i laboratoriet. De gjorde det genom att blanda ett pulver som matchade sammansättningen av jordens smälta mantel och värma upp den. Det som låter enkelt krävde de senaste tekniska framstegen, som Sossi påpekar:"Kompositionen av vårt mantelliknande pulver gjorde det svårt att smälta - vi behövde mycket höga temperaturer på cirka 2, 000° Celsius."

Det krävde en speciell ugn, som värmdes upp av en laser och inom vilken forskarna kunde sväva magman genom att låta strömmar av gasblandningar flöda runt den. Dessa gasblandningar var rimliga kandidater för den uratmosfär som, som för 4,5 miljarder år sedan, påverkade magman. Således, med varje blandning av gaser som strömmade runt provet, magman blev lite annorlunda.

"Den viktigaste skillnaden vi letade efter var hur oxiderat järnet i magman blev, " förklarar Sossi. Med mindre exakta ord:hur rostigt. När järn möter syre, det oxiderar och förvandlas till vad vi vanligtvis kallar rost. Således, när gasblandningen som forskarna blåste över deras magma innehöll mycket syre, järnet i magman blev mer oxiderat.

Denna nivå av järnoxidation i den nedkylda magman gav Sossi och hans kollegor något som de kunde jämföra med naturligt förekommande bergarter som idag utgör jordens mantel – så kallade peridotiter. Järnoxidationen i dessa bergarter har fortfarande inverkan av uratmosfären intryckt i den. Att jämföra de naturliga peridotiterna och de från labbet gav därför forskarna ledtrådar om vilka av deras gasblandningar som kom närmast jordens uratmosfär.

En ny syn på livets uppkomst

"Det vi hittade var att efter kylning från magmatillståndet, den unga jorden hade en atmosfär som var lätt oxiderande, med koldioxid som huvudbeståndsdel, samt kväve och lite vatten, " rapporterar Sossi. Yttrycket var också mycket högre, nästan hundra gånger så mycket som idag och atmosfären var mycket högre, på grund av den varma ytan. Dessa egenskaper gjorde den mer lik atmosfären på dagens Venus än dagens jord.

Detta resultat har två huvudsakliga slutsatser, enligt Sossi och hans kollegor:Den första är att Jorden och Venus började med ganska likartade atmosfärer, men den senare förlorade sedan sitt vatten på grund av den närmare närheten till solen och de associerade högre temperaturerna. Jorden, dock, höll sitt vatten, främst i form av hav. Dessa absorberade mycket av CO ₂ från luften, vilket minskar CO ₂ nivåer avsevärt.

Den andra slutsatsen är att en populär teori om uppkomsten av liv på jorden nu verkar mycket mindre trolig. Detta så kallade "Miller-Urey-experiment", där blixtnedslag interagerar med vissa gaser (särskilt ammoniak och metan) för att skapa aminosyror – livets byggstenar – skulle ha varit svårt att inse. De nödvändiga gaserna var helt enkelt inte tillräckligt rikliga.