Under Hadean Eon, for rundt 4,5 milliarder år siden, var verden et mye annet sted enn det er i dag. Det var også i løpet av denne tiden at avgassing og vulkansk aktivitet produserte den primære atmosfære som var sammensatt av karbondioksid, hydrogen og vanndamp.
Lite av denne urbane atmosfæren gjenstår, og geotermisk bevis tyder på at jordens atmosfære kan ha blitt fullstendig utslettet minst to ganger siden dannelsen for mer enn 4 milliarder år siden. Inntil nylig var forskere usikre på hva som kunne ha forårsaket dette tapet.
Men en ny studie fra MIT, Hebrew Univeristy og Caltech indikerer at det intense bombardementet av meteoritter i denne perioden kan ha vært ansvarlig.
Dette meteoriske bombardementet ville ha funnet sted omtrent samtidig med at månen ble dannet. Det intense bombardementet av rombergarter ville ha sparket opp skyer med gass med nok kraft til å skyte atmosfæren ut i verdensrommet permanent. Slike påvirkninger kan også ha sprengt andre planeter, og til og med flasset bort atmosfærene til Venus og Mars.
Faktisk fant forskerne at små planetesimaler kan være mye mer effektive enn store påvirkere - som Theia, hvis kollisjon med Jorden antas å ha dannet månen - i å føre atmosfæretap. Basert på beregningene deres, vil det ta en enorm innvirkning å spre det meste av atmosfæren; men samlet, ville mange små påvirkninger ha samme effekt.
Hilke Schlichting, assistentprofessor i MITs avdeling for jord-, atmosfæriske og planetenes vitenskaper, sier å forstå driverne for jordens gamle atmosfære kan hjelpe forskere til å identifisere de tidlige planetariske forholdene som oppmuntret livet til å danne seg.
"[Dette funnet] setter en helt annen startbetingelse for hvordan den tidlige jordas atmosfære mest sannsynlig var," sier Schlichting. "Det gir oss et nytt utgangspunkt for å prøve å forstå hva som var sammensetningen av atmosfæren, og hva var betingelsene for å utvikle livet."
Dessuten undersøkte gruppen hvor mye atmosfære som ble beholdt og mistet etter påvirkninger med store, større Mars-størrelser og større kropper og med mindre slagfester på 25 kilometer eller mindre.
Det de fant var at en kollisjon med en så stor massasje som Mars ville ha den nødvendige effekten av å generere en massiv en sjokkbølge gjennom jordas indre og potensielt kaste ut en betydelig brøkdel av planetens atmosfære.
Imidlertid fastslo forskerne at en slik innvirkning ikke var sannsynlig å ha skjedd, siden det ville ha gjort Jordens indre til en homogen slam. Gitt utseendet til forskjellige elementer observert i jordas indre, ser det ikke ut til at en slik hendelse har skjedd i fortiden.
En serie mindre påvirkere, derimot, ville generere en eksplosjon av sorteringer, og frigjøre en søppel av søppel og gass. Den største av disse påvirkningene ville være kraftige nok til å strømme ut all gass fra atmosfæren rett over støtsonen. Bare en brøkdel av denne atmosfæren ville gå tapt etter mindre innvirkning, men teamet anslår at titusenvis av små påvirkere kunne ha trukket den av.
Et slikt scenario forekom sannsynligvis for 4,5 milliarder år siden under Hadean Eon. Denne perioden var en av galaktisk kaos, ettersom hundretusener av rombergarter surret rundt solsystemet og det antas at mange har kollidert med Jorden.
"Helt sikkert, vi hadde alle disse mindre påvirkningene den gang," sier Schlichting. "Én liten innvirkning kan ikke kvitte seg med det meste av atmosfæren, men samlet er de mye mer effektive enn gigantiske påvirkninger, og kan lett kaste ut all jordens atmosfære."
Imidlertid innså Schlichting og hennes team at sumeffekten av små påvirkninger kan være for effektiv til å føre atmosfæretap. Andre forskere har målt den atmosfæriske sammensetningen av Jorden sammenlignet med Venus og Mars; og sammenlignet med Venus, har jordens edle gasser blitt tømt 100 ganger. Hvis disse planetene hadde blitt utsatt for den samme bliten av små påvirkere i sin tidlige historie, ville Venus ikke hatt noen atmosfære i dag.
Hun og kollegene deres gikk tilbake over små-impactor-scenariet for å prøve å gjøre rede for denne forskjellen i planetariske atmosfærer. Basert på ytterligere beregninger, identifiserte teamet en interessant effekt: Når en halv planetes atmosfære har gått tapt, blir det mye lettere for små påvirkere å skyte ut resten av gassen.
Forskerne beregnet at Venus 'atmosfære bare måtte starte litt mer massiv enn Jordens for at små påvirkere skal erodere den første halvdelen av jordens atmosfære, samtidig som de holder Venus' intakt. Fra det punktet beskriver Schlichting fenomenet som en "løpsprosess - når du først klarer å bli kvitt den første omgangen, er andre omgang enda enklere."
Dette ga opphav til et annet viktig spørsmål: Hva erstattet etterhvert Jordens atmosfære? Ved ytterligere beregninger fant Schlichting og hennes team de samme påvirkningene som utkastet gass også kan ha ført til nye gasser, eller flyktige stoffer.
"Når en innvirkning skjer, smelter den planetesimal, og flyktige stoffer kan gå ut i atmosfæren," sier Schlichting. "De kan ikke bare utarmes, men fylle på en del av atmosfæren."
Gruppen beregnet mengden flyktige stoffer som kan frigjøres av en stein med en gitt sammensetning og masse, og fant ut at en betydelig del av atmosfæren kan ha blitt påfyllet av virkningen av titusenvis av rombergarter.
"Tallene våre er realistiske, gitt det vi vet om det ustabile innholdet i de forskjellige bergartene vi har," konstaterer Schlichting.
Jay Melosh, professor i jord-, atmosfære- og planetarvitenskap ved Purdue University, sier Schlichtingens konklusjon er overraskende, ettersom de fleste forskere har antatt at jordens atmosfære ble utslettet av en eneste gigantisk innvirkning. Andre teorier, påpeker han, påkaller en sterk strøm av ultrafiolett stråling fra solen, samt en "uvanlig aktiv solvind."
"Hvordan jorden mistet sin overordnede atmosfære, har vært et mangeårig problem, og denne artikkelen strekker seg langt mot å løse dette gåte," sier Melosh, som ikke bidro til forskningen. "Livet kom i gang på jorden om denne tiden, og så å svare på spørsmålet om hvordan atmosfæren gikk tapt, forteller oss om hva som kan ha sparket i gang livets opprinnelse."
Fremover håper Schlichting å undersøke nærmere forholdene som ligger til grunn for jordas tidlige dannelse, inkludert samspillet mellom frigjøring av flyktige stoffer fra små påvirkere og fra jordas gamle magmahav.
"Vi ønsker å koble disse geofysiske prosessene for å avgjøre hva som var den mest sannsynlige atmosfærens sammensetning på tidspunktet null, da Jorden nettopp dannet seg, og forhåpentligvis identifisere forhold for livets utvikling," sier Schlichting.
Schlichting og hennes kolleger har publisert resultatene i februarutgaven av tidsskriftet Icarus.
