Tijdens de Hadean Eon, zo'n 4,5 miljard jaar geleden, was de wereld een heel andere plaats dan nu. Het was ook in deze tijd dat uitgassing en vulkanische activiteit de oeratmosfeer produceerden die bestond uit kooldioxide, waterstof en waterdamp.
Van deze oeratmosfeer is nog maar weinig over, en geothermisch bewijs suggereert dat de atmosfeer van de aarde minstens twee keer volledig is uitgewist sinds de vorming ervan meer dan 4 miljard jaar geleden. Tot voor kort waren wetenschappers onzeker over de oorzaak van dit verlies.
Maar een nieuwe studie van MIT, Hebrew Univeristy en Caltech geeft aan dat de intense bombardementen op meteorieten in deze periode mogelijk verantwoordelijk zijn geweest.
Dit meteoorbombardement zou hebben plaatsgevonden rond de tijd dat de maan werd gevormd. Het intense bombardement van ruimterotsen zou gaswolken hebben opgewekt met voldoende kracht om de atmosfeer permanent de ruimte in te blazen. Dergelijke inslagen kunnen ook andere planeten hebben vernietigd en zelfs de atmosfeer van Venus en Mars hebben weggevaagd.
In feite ontdekten de onderzoekers dat kleine planetesimalen veel effectiever kunnen zijn dan grote impactors - zoals Theia, waarvan wordt aangenomen dat de botsing met de aarde de maan heeft gevormd - bij het veroorzaken van atmosferisch verlies. Op basis van hun berekeningen zou het een enorme impact hebben om het grootste deel van de atmosfeer te verspreiden; maar bij elkaar genomen zouden veel kleine effecten hetzelfde effect hebben.
Hilke Schlichting, een assistent-professor bij MIT's Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences, zegt dat het begrijpen van de drivers van de oude atmosfeer van de aarde wetenschappers kan helpen de vroege planetaire omstandigheden te identificeren die het ontstaan van leven hebben aangemoedigd.
"[Deze bevinding] stelt een heel andere initiële voorwaarde voor hoe de atmosfeer van de vroege aarde hoogstwaarschijnlijk was", zegt Schlichting. "Het geeft ons een nieuw startpunt om te proberen te begrijpen wat de samenstelling van de atmosfeer was en wat de voorwaarden waren om het leven te ontwikkelen."
Bovendien onderzocht de groep hoeveel atmosfeer werd behouden en verloren ging na inslagen met gigantische, Mars-formaat en grotere lichamen en met kleinere impactors van 25 kilometer of minder.
Wat ze ontdekten was dat een botsing met een impactor zo groot als Mars het noodzakelijke effect zou hebben om een enorme schokgolf door het binnenste van de aarde te genereren en mogelijk een aanzienlijk deel van de atmosfeer van de planeet uit te stoten.
De onderzoekers stelden echter vast dat een dergelijke impact waarschijnlijk niet zou zijn opgetreden, omdat het binnenste van de aarde in een homogene slurry zou zijn veranderd. Gezien het verschijnen van verschillende elementen die in het binnenste van de aarde worden waargenomen, lijkt een dergelijke gebeurtenis in het verleden niet te zijn gebeurd.
Een reeks kleinere impactors zou daarentegen een soort explosie veroorzaken, waarbij een pluim van puin en gas vrijkomt. De grootste van deze impactors zou krachtig genoeg zijn om al het gas direct boven de impactzone uit de atmosfeer te stoten. Slechts een fractie van deze atmosfeer zou verloren gaan door kleinere impacts, maar het team schat dat tienduizenden kleine impactors het hadden kunnen redden.
Zo'n scenario deed zich waarschijnlijk 4,5 miljard jaar geleden voor tijdens de Hadean Eon. Deze periode was er een van galactische chaos, aangezien honderdduizenden ruimterotsen rond het zonnestelsel wervelden en er wordt aangenomen dat velen in botsing zijn gekomen met de aarde.
'Zeker, we hadden toen al die kleinere impactors', zegt Schlichting. "Een kleine inslag kan het grootste deel van de atmosfeer niet kwijtraken, maar collectief zijn ze veel efficiënter dan gigantische inslagen en kunnen ze gemakkelijk de hele atmosfeer van de aarde uitwerpen."
Schlichting en haar team realiseerden zich echter dat het totale effect van kleine inslagen mogelijk te efficiënt is om atmosferisch verlies te veroorzaken. Andere wetenschappers hebben de atmosferische samenstelling van de aarde vergeleken met Venus en Mars; en vergeleken met Venus zijn de edelgassen van de aarde 100 keer uitgeput. Als deze planeten in hun vroege geschiedenis waren blootgesteld aan dezelfde blitz van kleine impactors, dan zou Venus vandaag geen atmosfeer hebben.
Zij en haar collega's gingen terug op het scenario met een kleine impactor om te proberen dit verschil in planetaire atmosferen te verklaren. Op basis van verdere berekeningen identificeerde het team een interessant effect: zodra de atmosfeer van een halve planeet verloren is gegaan, wordt het voor kleine impactors veel gemakkelijker om de rest van het gas uit te stoten.
De onderzoekers berekenden dat de atmosfeer van Venus slechts iets zwaarder zou hoeven te zijn dan die van de aarde, zodat kleine impactors de eerste helft van de atmosfeer van de aarde zouden kunnen eroderen, terwijl Venus intact zou blijven. Vanaf dat moment beschrijft Schlichting het fenomeen als een "op hol geslagen proces - als het je eenmaal lukt om de eerste helft kwijt te raken, is de tweede helft nog gemakkelijker."
Dit veroorzaakte een andere belangrijke vraag: wat verving uiteindelijk de atmosfeer van de aarde? Bij verdere berekeningen ontdekten Schlichting en haar team dezelfde impactors die door het uitgestoten gas ook nieuwe gassen of vluchtige stoffen hebben geïntroduceerd.
'Als er een impact plaatsvindt, smelt het planetesimaal en kunnen de vluchtige stoffen in de atmosfeer terechtkomen', zegt Schlichting. 'Ze kunnen niet alleen een deel van de atmosfeer uitputten, maar ook aanvullen.'
De groep berekende de hoeveelheid vluchtige stoffen die kunnen vrijkomen door een gesteente met een bepaalde samenstelling en massa, en ontdekte dat een aanzienlijk deel van de atmosfeer mogelijk is aangevuld door de impact van tienduizenden ruimterotsen.
"Onze cijfers zijn realistisch, gezien wat we weten over de vluchtige inhoud van de verschillende rotsen die we hebben", merkt Schlichting op.
Jay Melosh, een professor in aard-, atmosferische en planetaire wetenschappen aan de Purdue University, zegt dat de conclusie van Schlichting verrassend is, aangezien de meeste wetenschappers hebben aangenomen dat de atmosfeer van de aarde is vernietigd door een enkele, gigantische impact. Andere theorieën, zegt hij, roepen een sterke stroom van ultraviolette straling van de zon op, evenals een 'ongewoon actieve zonnewind'.
"Hoe de aarde haar oeratmosfeer verloor, is een al lang bestaand probleem, en dit artikel gaat een lange weg om dit raadsel op te lossen", zegt Melosh, die niet heeft bijgedragen aan het onderzoek. "Het leven begon rond deze tijd op aarde, en dus het beantwoorden van de vraag hoe de atmosfeer verloren is gegaan, vertelt ons wat de oorsprong van het leven mogelijk heeft veroorzaakt."
In de toekomst hoopt Schlichting de omstandigheden die ten grondslag liggen aan de vroege vorming van de aarde nader te onderzoeken, inclusief het samenspel tussen het vrijkomen van vluchtige stoffen door kleine impactors en de oude magma-oceaan op aarde.
'We willen deze geofysische processen met elkaar verbinden om te bepalen wat de meest waarschijnlijke samenstelling van de atmosfeer was op het tijdstip nul, toen de aarde zich net vormde, en hopelijk de voorwaarden voor de evolutie van het leven te identificeren', zegt Schlichting.
Schlichting en haar collega's hebben hun resultaten gepubliceerd in de februari-editie van het tijdschrift Icarus.
