A pesquisa parcialmente conduzida na Fonte Avançada de Fótons ajudou os cientistas a descobrir a composição da primeira atmosfera da Terra. O que eles descobriram levanta questões sobre a origem da vida na Terra.

A muito tempo atrás, enquanto nosso sistema solar estava se formando nos planetas que conhecemos hoje, A Terra era essencialmente uma bola gigante de lava derretida. Aproximadamente 4,5 bilhões de anos atrás, os cientistas acreditam que a Terra colidiu com um planeta do tamanho de Marte. A energia desta colisão catastrófica explodiu a atmosfera existente da Terra no espaço, criou nossa lua, e causou o derretimento de todo o planeta.

Hora extra, este oceano de magma mundial liberou gases como nitrogênio, hidrogênio, carbono e oxigênio, criando uma nova atmosfera, a versão mais antiga da que temos hoje. Mas o que, exatamente, era aquela atmosfera inicial? E por que nossa atmosfera agora é tão diferente daquela de nossos vizinhos cósmicos? Essas questões deixaram os cientistas perplexos por gerações, mas as respostas nos escaparam até recentemente.

Agora, uma equipe internacional de cientistas que explora as origens da atmosfera da Terra descobriu que a nossa já foi muito semelhante à atmosfera encontrada em Vênus e Marte hoje. Suas descobertas, publicado recentemente no jornal Avanços da Ciência , têm implicações que vão muito além da composição química da atmosfera primitiva da Terra, como os resultados abrem buracos em uma teoria popular da evolução da própria vida.

Acontece que as pistas da atmosfera primitiva da Terra foram enterradas em nossas rochas mais antigas. O que foi necessário para descobri-los foi um forno a laser, uma bola de lava levitando e a Fonte Avançada de Fótons (APS), um Departamento de Energia (DOE) dos Estados Unidos para usuários do Office of Science no Laboratório Nacional de Argonne do DOE.

A equipe de pesquisa, liderado por Paolo Sossi, agora um pesquisador sênior da Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich e do Centro Nacional de Competência em Pesquisa (NCCR) PlanetS, comece a desvendar esses segredos. Embora eles não tivessem como medir a antiga atmosfera da Terra diretamente, eles encontraram uma maneira de medir a composição exata da atmosfera quando as rochas mais antigas da Terra foram formadas.

"Quatro bilhões e meio de anos atrás, o magma - a rocha derretida que agora se encontra sob a crosta terrestre - constantemente trocava gases com a atmosfera sobrejacente, "Sossi explicou." O ar e o magma influenciaram um ao outro. Então, você pode aprender um com o outro. "

Conforme o magma esfria e se transforma em rocha, ele mantém um registro de como era a atmosfera naquela época. Magma é rico em ferro, e o estado de oxidação do ferro nas rochas (essencialmente a composição química de sua ferrugem) dá aos cientistas uma indicação de como era a atmosfera primitiva da Terra, e quanto oxigênio estava disponível no momento. Quando há mais oxigênio na atmosfera, ligações de ferro com oxigênio em uma proporção de 2:3, e a atmosfera é rica em nitrogênio e dióxido de carbono. Quando menos oxigênio está disponível, a proporção é 1:1, e a atmosfera contém mais metano e amônia.

Contudo, para entender a composição exata da atmosfera primitiva da Terra, os cientistas basicamente precisavam criar uma versão em miniatura da Terra primitiva (e sua atmosfera) no laboratório. Para fazer isso, eles montaram os componentes elementares do manto primitivo da Terra (conhecido pelos geólogos no peridotito), aqueceu-o com um laser até que se tornasse lava derretida e então levitou essa bola de lava derretida em um fluxo de gás que representava a atmosfera mais antiga da Terra.

Quando a lava esfriou, a bola de vidro do tamanho de um mármore que permaneceu prendeu um registro da reação química entre a lava e a atmosfera no ferro que ela continha. Os avanços tecnológicos que tornaram esse experimento possível só surgiram recentemente. Para derreter o peridotito, você tem que entender muito, muito quente - quase 2.000 ° C - e depois tempere-o rapidamente para preservar a química em altas temperaturas. A capacidade de fazer isso foi possível com o desenvolvimento de uma nova técnica de forno a laser.

Os cientistas repetiram o experimento várias vezes, usando várias composições químicas de gases que poderiam ter existido na atmosfera primitiva, então estudou o estado de oxidação do ferro nas amostras, procurando por aquelas que mais se assemelhavam às encontradas nas rochas do manto da Terra. A comparação do estado de oxidação do ferro em rochas naturais com os formados em laboratório deu aos cientistas uma ideia de qual de suas misturas de gás combinava com a atmosfera primitiva da Terra.

"Descobrimos que a atmosfera que calculamos estar presente na Terra bilhões de anos atrás era semelhante em composição à que encontramos em Vênus e Marte hoje, "disse Sossi, que sabiam que ele tinha a composição atmosférica correta quando o estado de oxidação do ferro em sua amostra correspondia ao encontrado em rochas antigas do manto da Terra. "Quando você tem uma atmosfera produzida a partir de magma no estado de oxidação correto, você obtém um composto de cerca de 97 por cento de dióxido de carbono e 3 por cento de nitrogênio, uma vez que esfria, a mesma proporção encontrada hoje em Vênus e Marte. "

Por anos, geólogos recorreram ao APS para estudar a composição das rochas e o estado de oxidação do ferro nelas contido. Uma linha de luz em particular no APS gerenciada por cientistas da Universidade de Chicago, GeoSoilEnviroCARS (13-ID-E), tornou-se líder mundial neste tipo de pesquisa e análise. Quando chegou a hora de os cientistas terem suas amostras analisadas, havia um lugar óbvio para onde ir.

"O APS nos dá a capacidade de fazer feixes muito pequenos com os quais podemos fazer esse tipo de análise, "disse Matt Newville, um associado sênior de pesquisa e cientista de linha de luz da APS e um autor do artigo. A linha de luz na qual ele trabalha pode focar seus feixes em até 1 mícron de diâmetro - cerca de 50 vezes menor que a largura de um cabelo humano - dando aos cientistas a capacidade de fazer medições muito precisas e precisas de suas amostras.

"Fazemos esse tipo de análise em rochas o tempo todo, mas eram amostras incrivelmente bem criadas, "disse Newville." Que eles tenham conseguido essas amostras que eram muito boas em simular o efeito da atmosfera inicial é realmente incrível. "

Não apenas essas amostras fornecem uma maneira de medir a composição da antiga atmosfera da Terra, mas também impõem algumas restrições geológicas a uma teoria popular da origem da vida. Na década de 1950, Stanley Miller conduziu um experimento inovador na Universidade de Chicago mostrando que os aminoácidos - os blocos de construção da vida - se formariam em um ambiente com água líquida e ar rico em metano e amônia quando eletrizados para simular um raio. No momento, essas eram as condições que se acreditava existirem na Terra primitiva.

Contudo, se a atmosfera inicial da Terra fosse rica em dióxido de carbono e nitrogênio, como indica esta nova pesquisa, tornaria mais difícil a formação desses aminoácidos.

Esses experimentos também ajudaram a responder a perguntas sobre por que a atmosfera atual da Terra é tão diferente de nossos planetas vizinhos. Na terra, água líquida formada a partir desta atmosfera feita de magma, puxando o dióxido de carbono do ar para os oceanos em formação. Sossi disse isso porque todos os três planetas - Terra, Vênus e Marte - foram formados a partir de materiais semelhantes, foram os efeitos combinados da grande massa da Terra e de sua distância particular do Sol que permitiram reter água líquida em sua superfície, que então causou uma redução de dióxido de carbono. Considerando que não foi o caso em Vênus porque estava muito quente, ou em Marte porque estava muito frio.

Agora que Sossi descobriu que tipo de atmosfera se forma a partir de um magma-Terra, ele está olhando para as estrelas. Usando uma modificação desta técnica experimental, ele espera encontrar uma maneira de medir a composição atmosférica usando infravermelho para que um dia possamos usar satélites para estudar mundos de magma que podem realmente existir em outros sistemas solares hoje.