科学家通过实验重现45亿年前的地球原始大气

科学家通过实验重现45亿年前的地球原始大气插图1

地球诞生至今已经有45亿年了,在刚诞生的时候,我们现在居住的这颗星球表面上被滚烫的岩浆所覆盖,而不是我们今天所熟悉的山脉、海洋、森林等。岩浆是火山喷发所带来的熔融状态的岩石物质。

科学家对于上述的地球表面的描述是没有异议的,但是对于当时地球上原始大气层就有不少的谜题了。

苏黎世联邦理工学院高级研究员Paolo Sossi和NCCR PlanetS领导的新的国际研究工作试图消除地球原始大气的一些奥秘。这些发现今天发表在《科学进展》杂志上。

在实验室制作岩浆

在地球刚诞生的时候,地球表面并不仅仅只有岩浆,实际上当时的地球上还拥有着厚厚的大气层,岩浆和原始大气会相互交换气体和物质,相互影响。

为了了解与当今大不相同的地球原始大气,研究人员在实验室创建了自己的岩浆。他们通过混合与地球熔融地幔成分相匹配的粉末并对其进行加热来做到这一点。听起来似乎比较简单,但是实际上困难重重,因为某些粉末是非常难以融化的,需要至少2000摄氏度的高温。

科学家通过实验重现45亿年前的地球原始大气插图3

这就需要一个特殊的炉子——空气悬浮炉,这种炉子由激光加热,研究人员可以在其中通过使气体混合物在其周围流动起来来使岩浆悬浮。这些气体混合物是45亿年前影响岩浆的原始大气的合理候选者。因此,随着每种气体混合物在样品周围流动,岩浆变得略有不同。

索西解释说:“我们寻找的主要区别是岩浆中铁的氧化程度。”用不太准确的话来说:研究岩浆中的铁锈。当单质铁遇到氧气时,它会氧化并变成我们通常所说的铁锈。因此,当科学家吹过岩浆的气体混合物中含有大量的氧气时,岩浆中的铁就会被更多地氧化。

冷却后的岩浆中铁的这种氧化水平为索西和他的同事提供了一些产物,可以与当今构成地球地幔的天然岩石——橄榄岩进行比较。这些岩石中的铁氧化仍然受到烙印在其中的原始大气的影响。因此,将天然橄榄岩与实验室的橄榄岩进行比较,可以为科学家提供线索,表明它们的哪种气体混合物最接近地球的原始大气。

科学家通过实验重现45亿年前的地球原始大气插图5

生命出现的新观点

索西报道:“我们发现,从岩浆状态冷却下来后,年轻的地球大气层被轻微氧化了,主要成分为二氧化碳,氮气和一些水。”由于地表很热,表面压力也高得多,几乎是今天的一百倍,大气压力也高得多。这些特征使它与当今的金星大气更类似于今天的地球。

根据索西和他的同事的说法,这一结果有两个主要结论:第一个是地球和金星起初具有非常相似的大气层,但是由于接近太阳和随之而来的更高温度,金星随后失去了它的水分。然而,地球主要以海洋的形式保持着水。这些液态水从空气中吸收了大量的二氧化碳,从而显着降低了二氧化碳的浓度,也避免地球进一步陷入到温室气体失控的状态。

第二个结论是,关于地球生命出现的流行理论现在看来可能性很小。这种所谓的“米勒-尤里(Miller-Urey)实验”,其中雷击与某些气体(尤其是氨和甲烷)相互作用以产生氨基酸(构成生命的基础),这是很难实现的。所需的气体根本不够丰富。

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