約45億年前のHadean Eonの間、世界は現在とは大きく異なる場所でした。ガス放出と火山活動が二酸化炭素、水素と水蒸気から成る原始大気を作り出したのもこの時期でした。
この原始的な大気はほとんど残っておらず、地熱の証拠は、地球の大気が40億年以上前に形成されて以来、少なくとも2回完全に消滅した可能性があることを示唆しています。最近まで、科学者たちはこの損失を引き起こす可能性があるものについては不確かでした。
しかし、MIT、ヘブライ大学、Caltechによる新しい研究は、この時期の隕石への激しい砲撃が原因であった可能性があることを示しています。
この隕石砲撃は、月が形成されたのとほぼ同時に行われたでしょう。宇宙の岩への激しい衝撃は、大気を宇宙に永久に放出するのに十分な力でガスの雲を蹴り上げたでしょう。そのような影響はまた他の惑星を爆破し、そして金星と火星の大気を剥ぎ取ったかもしれません。
実際、研究者は、地球との衝突により月が形成されたと考えられているTheiaなどの大きなインパクターよりも大気の損失を促進する上で、小さな惑星がより効果的である可能性があることを発見しました。彼らの計算に基づいて、大気のほとんどを分散させることは大きな影響を与えるでしょう。まとめると、多くの小さな影響が同じ効果をもたらします。
MITの地球大気惑星科学省の助教授であるHilke Schlichting氏は、地球の古代の大気の要因を理解することは、科学者が生命の形成を促進した初期の惑星の状態を特定するのに役立つ可能性があると述べています。
「[この発見]は、初期の地球の大気が最もありそうであったものとは非常に異なる初期条件を設定します」とシュリヒティングは言います。 「それは私たちに、大気の構成とは何か、そして生命を発達させるための条件は何かを理解しようと試みるための新たな出発点を与えてくれます。」
さらに、このグループは、火星サイズの巨大な大きな体と、25 km以下の小さなインパクターによる衝撃の後、どれだけの大気が保持され失われたかを調査しました。
彼らが発見したのは、火星のように巨大な衝突体との衝突が、地球の内部を通過する巨大な衝撃波を発生させ、惑星の大気のかなりの部分を排出する可能性があるということです。
しかし、研究者は、地球の内部を均一なスラリーに変えたので、そのような影響は起こりそうにないと判断しました。地球の内部で観察された多様な要素の出現を考えると、そのようなイベントは過去に起こったようには見えません。
対照的に、一連の小さなインパクターは、一種の爆発を引き起こし、破片とガスのプルームを放出します。これらのインパクターのうち最大のものは、インパクトゾーンの真上の大気からすべてのガスを排出するのに十分強力です。小さな衝撃で失われるのはこの大気のほんの一部だけですが、チームは数万の小さな衝撃因子がそれを吹き飛ばした可能性があると推定しています。
このようなシナリオはおそらく45億年前のHadean Eonの間に起こりました。数十万の宇宙岩が太陽系の周りを旋回し、その多くが地球と衝突したと考えられているため、この期間は銀河の混乱の1つでした。
「確かに、当時はこれらすべての小さなインパクターがありました」とSchlichting氏は言います。 「1回の小さな衝撃で大部分の大気を取り除くことはできませんが、全体として、それらは巨大な衝撃よりもはるかに効率的で、地球のすべての大気を簡単に排出することができます。」
しかし、シュリヒティングと彼女のチームは、小さな影響の合計効果が大気の損失を推進するには効率的すぎる可能性があることを認識しました。他の科学者は、金星や火星と比較して地球の大気組成を測定しました。金星と比較すると、地球の希ガスは100倍に減少しています。これらの惑星が初期の歴史の中で小さなインパクターの同じ電撃にさらされていたなら、金星には今日の雰囲気はありませんでした。
彼女と彼女の同僚は、惑星の大気のこの違いを説明するために、小さな影響因子のシナリオに戻りました。さらなる計算に基づいて、チームは興味深い効果を特定しました。惑星の大気の半分が失われると、小さな衝突装置が残りのガスを排出することがはるかに容易になります。
研究者は、金星の大気を維持しながら小さな衝突体が地球の大気の前半を侵食するためには、金星の大気が地球よりもわずかに大きいだけで開始する必要があると計算しました。その点から、シュリヒティング氏はこの現象を「暴走プロセス」と表現し、前半を取り除くことができれば、後半はさらに簡単になると述べています。
これは別の重要な質問を引き起こしました：何が最終的に地球の大気を置き換えましたか？シュリヒティングと彼女のチームは、さらなる計算の結果、ガスを排出したのと同じインパクターが新しいガスまたは揮発性物質を導入した可能性があることを発見しました。
「影響が発生すると、惑星が溶けて、揮発性物質が大気中に放出される可能性があります」とシュリヒティング氏は言う。 「彼らは枯渇するだけでなく、大気の一部を補充することができます。」
グループは、特定の組成と質量の岩によって放出される可能性のある揮発性物質の量を計算し、大気の大部分が数万の宇宙岩の影響によって補充されている可能性があることを発見しました。
「私たちが持っているさまざまな岩石の揮発性成分について私たちが知っていることを考えると、私たちの数は現実的です」とシュリヒティング氏は指摘します。
パーデュー大学の地球、大気、惑星科学の教授であるジェイメロシュは、ほとんどの科学者は地球の大気が単一の巨大な衝撃によって消滅したと想定しているため、シュリヒティングの結論は驚くべきものであると言います。他の理論は、太陽からの強い紫外線放射と「異常に活発な太陽風」を引き起こすと彼は言う。
「地球が原始的な大気をどのように失ったかは長年の問題であり、この論文はこの謎を解決するのに大いに役立ちます」と研究に貢献しなかったメロシュは言います。 「この頃に地球で生命が始まったので、大気が失われた方法についての質問に答えることは、生命の起源を始めたかもしれないことについて私たちに教えてくれます。」
シュリヒティング氏は、今後、地球の初期形成の根底にある条件を詳細に調査したいと考えています。これには、小さなインパクターからの揮発性物質の放出と地球の古代マグマ海からの揮発性物質の放出との相互作用が含まれます。
「これらの地球物理学的プロセスを結び付けて、地球がちょうど形成された時刻0で最も可能性の高い大気の組成を決定し、うまくいけば生命の進化の条件を特定したい」とシュリヒティング氏は言う。
シュリヒティング氏とその同僚たちは、2月号のジャーナルIcarusに結果を発表した。
