Během hadejského Eonu, asi před 4,5 miliardami let, byl svět mnohem jiným místem, než je dnes. Jak by napovídalo jméno Hades (řecky „podsvětí“), bylo to pro Zemi pekelné období, které se vyznačovalo intenzivním vulkanismem a intenzivními meteorickými dopady. Bylo to také během této doby, kdy odplyňování a vulkanická činnost vytvořily prvotní atmosféru složenou z oxidu uhličitého, vodíku a vodní páry.
Z této prvotní atmosféry zůstalo jen málo a geotermální důkazy naznačují, že zemská atmosféra mohla být zcela vymazána nejméně dvakrát od svého vzniku před více než 4 miliardami let. Až donedávna si vědci nebyli jisti, co mohlo tuto ztrátu způsobit.
Ale nová studie z MIT, Hebrew University a Caltech naznačuje, že za to mohlo intenzivní bombardování meteoritů v tomto období.
Toto meteorické bombardování by se odehrálo přibližně ve stejnou dobu, kdy se tvořil Měsíc. Intenzivní bombardování vesmírnými kameny by vyvrhlo mračna plynu s dostatečnou silou k trvalému vyvržení atmosféry do vesmíru. Takové dopady mohly také odpálit další planety a dokonce odloupnout atmosféry Venuše a Marsu.
Ve skutečnosti vědci zjistili, že malé planetesimály mohou být mnohem efektivnější než velké impaktory – jako je Theia, o jejíž srážce se Zemí se předpokládá, že vytvořila Měsíc – při řízení ztráty atmosféry. Na základě jejich výpočtů by bylo zapotřebí obrovského nárazu, aby se rozptýlila většina atmosféry; ale dohromady by mnoho malých dopadů mělo stejný účinek.
Umělcova představa o srážce mezi proto-Zemí a Theiou, k níž došlo před 4,5 miliardami let. Kredit: NASA
Hilke Schlichting, odborný asistent na katedře věd o Zemi, atmosféře a planetách na MIT, říká, že pochopení hnacích sil starověké atmosféry Země může vědcům pomoci identifikovat rané planetární podmínky, které podporovaly vznik života.
'[Toto zjištění] nastavuje velmi odlišné počáteční podmínky pro to, jaká byla nejpravděpodobnější atmosféra rané Země, ' říká Schlichting. 'Dává nám to nový výchozí bod pro pokus pochopit, jaké bylo složení atmosféry a jaké byly podmínky pro rozvoj života.'
A co víc, skupina zkoumala, kolik atmosféry bylo zachováno a ztraceno po dopadech s obřími, Marsovými a většími tělesy a s menšími impaktory o rozměrech 25 kilometrů nebo méně.
Zjistili, že srážka s impaktorem tak masivním jako Mars by měla nezbytný účinek generování masivní rázové vlny skrz vnitřek Země a potenciálně vymrštění významné části atmosféry planety.
Vědci však zjistili, že k takovému dopadu pravděpodobně nedošlo, protože by proměnil nitro Země na homogenní kaši. Vzhledem k výskytu různých prvků pozorovaných v nitru Země se nezdá, že by k takové události v minulosti došlo.
Série menších impaktorů by naproti tomu vytvořila určitý druh exploze, která by uvolnila oblak trosek a plynu. Největší z těchto impaktorů by byl dostatečně silný, aby vyvrhl veškerý plyn z atmosféry bezprostředně nad zónou dopadu. Po menších dopadech by se ztratil pouze zlomek této atmosféry, ale tým odhaduje, že ji mohly strhnout desítky tisíc malých impaktorů.
Umělcovo pojetí rané Země, zobrazující povrch otřesený velkými nárazy. Kredit: Simone Marchi
Takový scénář se pravděpodobně odehrál před 4,5 miliardami let během hadejského Eonu. Toto období bylo obdobím galaktického chaosu, protože kolem sluneční soustavy vířily stovky tisíc vesmírných kamenů a mnoho z nich se pravděpodobně srazilo se Zemí.
'Určitě jsme tehdy měli všechny tyto menší impaktory,' říká Schlichting. 'Jeden malý dopad se nemůže zbavit většiny atmosféry, ale společně jsou mnohem účinnější než obří dopady a mohly by snadno vyvrhnout celou zemskou atmosféru.'
Schlichting a její tým si však uvědomili, že celkový efekt malých dopadů může být příliš účinný při řízení atmosférických ztrát. Jiní vědci měřili složení atmosféry Země ve srovnání s Venuší a Marsem; a ve srovnání s Venuší byly vzácné plyny Země vyčerpány 100krát. Pokud by tyto planety byly ve své rané historii vystaveny stejnému blesku malých impaktorů, pak by dnes Venuše neměla žádnou atmosféru.
Ona a její kolegové se vrátili ke scénáři malého impaktoru, aby se pokusili vysvětlit tento rozdíl v planetárních atmosférách. Na základě dalších výpočtů tým identifikoval zajímavý efekt: Jakmile dojde ke ztrátě poloviny atmosféry planety, je pro malé impaktory mnohem snazší vyvrhnout zbytek plynu.
Vědci vypočítali, že atmosféra Venuše by musela začít jen o něco masivnější než zemská, aby malé impaktory erodovaly první polovinu zemské atmosféry a přitom zachovaly Venuši neporušenou. Od tohoto bodu Schlichting popisuje tento fenomén jako „uteklý proces – jakmile se vám podaří zbavit se první poloviny, druhá polovina je ještě snazší.“
To vedlo k další důležité otázce: Co nakonec nahradilo zemskou atmosféru? Na základě dalších výpočtů Schlichting a její tým zjistili, že stejné impaktory, které vyvrhl plyn, také mohly zavést nové plyny nebo těkavé látky.
'Když dojde k nárazu, roztaví planetesimál a jeho těkavé látky se mohou dostat do atmosféry,' říká Schlichting. 'Mohou nejen vyčerpat, ale doplnit část atmosféry.'
„Impaktní farma: oblast na Venuši poznamenaná impaktními krátery a sopečnou činností. Poděkování: NASA/JPL
Skupina vypočítala množství těkavých látek, které může uvolnit hornina daného složení a hmotnosti, a zjistila, že významná část atmosféry mohla být doplněna dopadem desítek tisíc vesmírných hornin.
'Naše čísla jsou realistická, vzhledem k tomu, co víme o těkavém obsahu různých hornin, které máme,' poznamenává Schlichting.
Jay Melosh, profesor pozemských, atmosférických a planetárních věd na Purdue University, říká, že Schlichtingův závěr je překvapivý, protože většina vědců předpokládala, že zemská atmosféra byla zničena jediným obřím dopadem. Jiné teorie, říká, se odvolávají na silný tok ultrafialového záření ze slunce a také na „neobvykle aktivní sluneční vítr“.
'Jak Země ztratila svou primordiální atmosféru, je dlouhodobý problém a tento dokument jde dlouhou cestou k vyřešení této záhady,' říká Melosh, který se na výzkumu nepodílel. 'Život na Zemi začal přibližně v této době, a tak odpověď na otázku, jak došlo ke ztrátě atmosféry, nám vypovídá o tom, co mohlo odstartovat vznik života.'
Schlichting doufá, že blíže prozkoumá podmínky raného formování Země, včetně souhry mezi uvolňováním těkavých látek z malých impaktorů a ze starověkého magmatického oceánu Země.
'Chceme propojit tyto geofyzikální procesy, abychom určili, jaké bylo nejpravděpodobnější složení atmosféry v čase nula, kdy se Země právě zformovala, a doufejme, že identifikujeme podmínky pro vývoj života,' říká Schlichting.
Schlichting a její kolegové zveřejnili své výsledky v únorovém vydání časopisu Ikar .
Další čtení: Zprávy MIT