Forskning som delvis utfördes vid Advanced Photon Source hjälpte forskare att upptäcka sammansättningen av jordens första atmosfär. Det de hittade väcker frågor om livets ursprung på jorden.

För länge sedan, när vårt solsystem formade sig till de planeter vi känner idag, Jorden var i huvudsak en gigantisk boll av smält lava. För ungefär 4,5 miljarder år sedan, Forskare tror att jorden kolliderade med en planet lika stor som Mars. Energin från denna katastrofala kollision blåste jordens befintliga atmosfär ut i rymden, skapade vår måne, och fick hela planeten att smälta.

Över tid, detta världsomspännande magmahav släppte ut gaser som kväve, väte, kol och syre, skapa en ny atmosfär, den äldsta versionen av den vi har idag. Men vad, exakt, var den där tidiga atmosfären? Och varför är vår atmosfär nu så olik den hos våra kosmiska grannar? Dessa frågor har förbryllat forskare i generationer, men svaren har gäckat oss tills nyligen.

Nu har ett internationellt team av forskare som utforskar ursprunget till jordens atmosfär funnit att vår en gång var mycket lik atmosfären som finns på Venus och Mars idag. Deras resultat, nyligen publicerad i tidskriften Vetenskapens framsteg , har konsekvenser som går långt utöver den kemiska sammansättningen av jordens tidiga atmosfär, eftersom resultaten sticker hål i en populär teori om själva livets utveckling.

Det visar sig att ledtrådar till jordens tidiga atmosfär begravdes i våra äldsta stenar. Vad som krävdes för att avslöja dem var en laserugn, en svävande lavaboll och den avancerade fotonkällan (APS), en U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility vid DOE:s Argonne National Laboratory.

Forskargruppen, ledd av Paolo Sossi, nu seniorforskare vid Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich och National Centre of Competence in Research (NCCR) PlanetS, försökte låsa upp dessa hemligheter. Även om de inte hade något sätt att mäta jordens antika atmosfär direkt, de hittade ett sätt att mäta atmosfärens exakta sammansättning när jordens äldsta stenar bildades.

"För fyra och en halv miljard år sedan, magman – den smälta stenen som nu ligger under jordskorpan – utbytte ständigt gaser med den överliggande atmosfären, " förklarade Sossi. "Luften och magman påverkade varandra. Så, du kan lära dig om det ena av det andra."

När magma svalnar och förvandlas till sten, den låser in en registrering av hur atmosfären var vid den tiden. Magma är rikt på järn, och oxidationstillståndet för järn i stenarna (i huvudsak den kemiska sammansättningen av dess rost) ger forskarna en indikation på hur jordens tidiga atmosfär såg ut, och hur mycket syre som fanns tillgängligt vid den tiden. När det finns mer syre i atmosfären, järn binder till syre i förhållandet 2:3, och atmosfären är rik på kväve och koldioxid. När mindre syre är tillgängligt, förhållandet är 1:1, och atmosfären innehåller mer metan och ammoniak.

Dock, att förstå den exakta sammansättningen av jordens tidiga atmosfär, forskarna behövde i huvudsak skapa en miniatyrversion av den tidiga jorden (och dess atmosfär) i labbet. Att göra detta, de satte ihop de elementära komponenterna i jordens tidiga mantel (känd för geologer vid peridotit), värmde den med en laser tills den blev smält lava och svävade sedan denna boll av smält lava i en gasström som var tänkt att representera jordens tidigaste atmosfär.

När lavan svalnade, den marmorstora glaskulan som fanns kvar hade fångat en registrering av den kemiska reaktionen mellan lavan och atmosfären i järnet den innehöll. De tekniska framstegen som gjorde detta experiment möjligt kom först nyligen. För att smälta peridotit, du måste få det mycket, mycket varmt – nästan 2000°C – och släck den sedan snabbt för att bevara kemin vid höga temperaturer. Möjligheten att göra detta möjliggjordes med utvecklingen av en ny laserugnsteknik.

Forskarna upprepade experimentet ett antal gånger med olika kemiska sammansättningar av gaser som kunde ha funnits i den tidiga atmosfären, studerade sedan järnoxidationstillståndet i proverna, letar efter de som mest liknar dem som finns i jordens mantelklippor. Att jämföra järnoxidationstillståndet i naturliga bergarter med de som bildades i labbet gav forskarna en uppfattning om vilken av deras gasblandningar som matchade jordens tidiga atmosfär.

"Vi fann att atmosfären som vi beräknade ha funnits på jorden för miljarder år sedan liknade den vi hittar på Venus och Mars idag, till sin sammansättning, sa Sossi, som visste att han hade den korrekta atmosfäriska sammansättningen när järnoxidationstillståndet i deras prov matchade de som hittades i gamla stenar från jordens mantel. "När du har en atmosfär som produceras av magma i rätt oxidationstillstånd, du får en som består av cirka 97 procent koldioxid och 3 procent kväve när den svalnar, samma förhållande som finns idag på Venus och Mars."

I åratal, geologer har vänt sig till APS för att studera sammansättningen av bergarter och oxidationstillståndet för järnet som finns i dem. En speciell strållinje vid APS som förvaltas av forskare från University of Chicago, GeoSoilEnviroCARS (13-ID-E), har blivit världsledande inom denna typ av forskning och analys. När det var dags för forskarna att få sina prover analyserade, det fanns en självklar plats att gå.

"APS ger oss möjligheten att göra mycket små strålar som vi kan göra den här typen av analys med, sa Matt Newville, en senior forskarassistent och strållinjeforskare vid APS och en författare på tidningen. Strållinjen han arbetar med kan fokusera sina strålar till så liten som 1 mikron tvärs över - cirka 50 gånger mindre än bredden på ett mänskligt hårstrå - vilket ger forskare möjligheten att göra mycket exakta och exakta mätningar av sina prover.

"Vi gör den här typen av analyser på stenar hela tiden, men det här var otroligt välskapade prover, ", sa Newville. "Att de kunde få dessa prover som var väldigt bra på att simulera effekten av den tidiga atmosfären är verkligen otroligt."

Dessa prover ger inte bara ett sätt att mäta sammansättningen av jordens antika atmosfär, men de sätter också vissa geologiska begränsningar på en populär teori om livets ursprung. På 1950-talet Stanley Miller genomförde ett banbrytande experiment vid University of Chicago som visade att aminosyror - livets byggstenar - skulle bildas i en miljö med flytande vatten och luft rik på metan och ammoniak när de zappades med elektricitet för att simulera blixtar. Just då, dessa var de förhållanden som troddes existera på den tidiga jorden.

Dock, om jordens tidiga atmosfär istället var rik på koldioxid och kväve som denna nya forskning visar, det skulle göra det svårare för dessa aminosyror att bildas.

Dessa experiment hjälpte också till att svara på frågor om varför jordens nuvarande atmosfär skiljer sig så mycket från våra närliggande planeter. På jorden, flytande vatten som bildades ur denna magma-tillverkade atmosfär, drar ut koldioxid ur luften och in i nybildade hav. Sossi sa att eftersom alla tre planeterna - jorden, Venus och Mars - bildades av liknande material, det var de kombinerade effekterna av både jordens stora massa och dess speciella avstånd från solen som gjorde det möjligt för den att hålla kvar flytande vatten på sin yta, vilket sedan orsakade ett koldioxiduttag. Medan det inte var fallet på Venus eftersom det var för varmt, eller på Mars för att det var för kallt.

Nu när Sossi har listat ut vilken typ av atmosfär som bildas från en magma-jord, han siktar på stjärnorna. Genom att använda en modifiering av denna experimentella teknik, han hoppas hitta ett sätt att mäta atmosfärens sammansättning med hjälp av infrarött så att vi en dag kan använda satelliter för att studera magmavärldar som faktiskt kan existera i andra solsystem idag.