Во времена Хадея, около 4,5 миллиардов лет назад, мир был совсем другим, чем сегодня. Также в это время дегазация и вулканическая активность создавали первичную атмосферу, состоящую из углекислого газа, водорода и водяного пара.
Остается мало этой изначальной атмосферы, и геотермальные данные свидетельствуют о том, что атмосфера Земли, возможно, была полностью стерта, по крайней мере, в два раза с момента ее образования более 4 миллиардов лет назад. До недавнего времени ученые не знали, что могло послужить причиной этой потери.
Но новое исследование, проведенное в Массачусетском технологическом институте, Еврейском университете и Калифорнийском технологическом институте, указывает на то, что интенсивная бомбардировка метеоритов в этот период могла быть причиной.
Эта метеорная бомбардировка произошла бы примерно в то же время, когда образовалась Луна. Интенсивная бомбардировка космических камней подняла бы облака газа с достаточной силой, чтобы навсегда выбросить атмосферу в космос. Такие удары, возможно, также взорвали другие планеты, и даже очистили атмосферы Венеры и Марса.
На самом деле, исследователи обнаружили, что маленькие планетезимали могут быть гораздо более эффективными, чем крупные ударники - такие как Тейя, столкновение с которой, как полагают, образовало Луну - в управлении потерей атмосферы. Исходя из их расчетов, потребуется огромное влияние, чтобы рассеять большую часть атмосферы; но вместе взятые, многие небольшие воздействия будут иметь тот же эффект.
Хильке Шлихтинг, доцент кафедры наук о Земле, атмосфере и планете Массачусетского технологического института, говорит, что понимание движущих сил древней атмосферы Земли может помочь ученым определить ранние планетные условия, которые способствовали формированию жизни.
«[Это открытие] устанавливает совершенно иное начальное условие для того, какой была атмосфера ранней Земли, скорее всего,», - говорит Шлихтинг. «Это дает нам новую отправную точку для попытки понять, каков был состав атмосферы и каковы условия для развития жизни».
Более того, группа исследовала, сколько атмосферы было сохранено и потеряно после столкновений с гигантскими, размером с Марс и более крупными телами, а также с более мелкими ударными элементами размером 25 километров или меньше.
Они обнаружили, что столкновение с таким ударным элементом, как Марс, имело бы необходимый эффект, создавая мощную ударную волну в недрах Земли и потенциально выбрасывая значительную часть атмосферы планеты.
Тем не менее, исследователи определили, что такое воздействие вряд ли могло произойти, поскольку оно превратило бы внутреннюю часть Земли в однородную взвесь. С учетом появления разнообразных элементов, наблюдаемых в недрах Земли, такого события, по-видимому, не было в прошлом.
В отличие от этого, серия более мелких импакторов вызовет что-то вроде взрыва, в результате чего будет образован поток мусора и газа. Самый большой из этих ударников будет достаточно силен, чтобы выбросить весь газ из атмосферы непосредственно над зоной удара. Только небольшая часть этой атмосферы будет потеряна из-за меньших ударов, но, по оценкам команды, десятки тысяч небольших ударников могли бы ее осуществить.
Такой сценарий, вероятно, произошел 4,5 миллиарда лет назад во время Хадейского Эона. Этот период был периодом галактического хаоса, когда сотни тысяч космических скал вращались вокруг Солнечной системы, и многие, как полагают, столкнулись с Землей.
«Конечно, тогда у нас были все эти меньшие ударники», - говорит Шлихтинг. «Одним небольшим ударом невозможно избавиться от большей части атмосферы, но в совокупности они гораздо более эффективны, чем гигантские удары, и могут легко выбросить всю атмосферу Земли».
Тем не менее, Шлихтинг и ее команда поняли, что суммарный эффект небольших воздействий может быть слишком эффективным для снижения атмосферных потерь. Другие ученые измерили состав атмосферы Земли по сравнению с Венерой и Марсом; и по сравнению с Венерой благородные газы Земли истощены в 100 раз. Если бы на этих ранних историях эти планеты подвергались воздействию одного и того же удара малых ударников, то на Венере сегодня не было бы атмосферы.
Она и ее коллеги вернулись к сценарию с малым воздействием, чтобы попытаться объяснить эту разницу в атмосферах планет. Основываясь на дальнейших расчетах, команда определила интересный эффект: как только половина атмосферы планеты будет потеряна, маленьким ударникам станет намного легче выбросить остальную часть газа.
Исследователи подсчитали, что атмосфера Венеры должна начинаться чуть более массивно, чем Земля, чтобы малые ударные объекты разрушали первую половину атмосферы Земли, сохраняя при этом целостность Венеры. С этого момента Шлихтинг описывает это явление как «безудержный процесс - как только вам удастся избавиться от первой половины, вторая половина станет еще проще».
Это породило еще один важный вопрос: что в итоге заменило атмосферу Земли? После дальнейших расчетов Шлихтинг и ее команда обнаружили, что те же ударные элементы, которые выбрасывали газ, также могли вводить новые газы или летучие вещества.
«Когда происходит удар, он плавит планетезималь, и его летучие вещества могут попадать в атмосферу», - говорит Шлихтинг. «Они могут не только истощать, но и пополнять часть атмосферы».
Группа рассчитала количество летучих веществ, которые могут выделяться горной породой заданного состава и массы, и обнаружила, что значительная часть атмосферы может быть пополнена воздействием десятков тысяч космических пород.
«Наши цифры реалистичны, учитывая то, что мы знаем о нестабильном содержании различных пород», - отмечает Шлихтинг.
Джей Мелош, профессор наук о Земле, атмосфере и планетах в Университете Пердью, говорит, что заключение Шлихтинга является неожиданным, поскольку большинство ученых предположили, что атмосфера Земли была уничтожена одним гигантским воздействием. Другие теории, по его словам, вызывают сильный поток ультрафиолетового излучения солнца, а также «необычайно активный солнечный ветер».
«То, как Земля утратила свою изначальную атмосферу, было давней проблемой, и эта статья имеет большое значение для решения этой загадки», - говорит Мелош, который не участвовал в исследовании. «Примерно в это же время на Земле началась жизнь, и поэтому ответ на вопрос о том, как была потеряна атмосфера, рассказывает нам о том, что могло послужить причиной возникновения жизни».
В дальнейшем Шлихтинг надеется более внимательно изучить условия, лежащие в основе раннего формирования Земли, включая взаимодействие между выбросом летучих веществ из небольших ударных элементов и из древнего магматического океана Земли.
«Мы хотим соединить эти геофизические процессы, чтобы определить, каков был наиболее вероятный состав атмосферы в нулевой момент времени, когда Земля только образовалась, и, надеюсь, определить условия для эволюции жизни», - говорит Шлихтинг.
Шлихтинг и ее коллеги опубликовали свои результаты в февральском выпуске журнала Icarus.
