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Desvelando los secretos de la atmósfera primitiva de la Tierra

Publicadomayo 15, 2021 @ 5:43 pm

Desvelando los secretos de la atmósfera primitiva de la Tierra
Los científicos que estudian la atmósfera primitiva de la Tierra han descubierto que era muy similar a la atmósfera que se encuentra hoy en Venus. Crédito: Tobias Stierli / NCCR PlanetS

La investigación realizada en parte en Advanced Photon Source ayudó a los científicos a descubrir la composición de la primera atmósfera de la Tierra. Lo que encontraron plantea interrogantes sobre el origen de la vida en la Tierra.


por Liz Thompson, Laboratorio Nacional Argonne


Hace mucho tiempo, cuando nuestro sistema solar se estaba formando en los planetas que conocemos hoy, la Tierra era esencialmente una bola gigante de lava fundida. Hace aproximadamente 4.500 millones de años, los científicos creen que la Tierra chocó con un planeta del tamaño de Marte. La energía de esta colisión catastrófica voló la atmósfera existente de la Tierra al espacio, creó nuestra Luna y provocó que todo el planeta se derritiera.

Con el tiempo, este océano de magma mundial liberó gases como nitrógeno, hidrógeno, carbono y oxígeno, creando una nueva atmósfera, la versión más antigua de la que tenemos hoy. Pero, ¿cómo era exactamente esa atmósfera temprana? ¿Y por qué nuestra atmósfera ahora es tan diferente a la de nuestros vecinos cósmicos? Estas preguntas han dejado perplejos a los científicos durante generaciones, pero las respuestas nos han eludido hasta hace poco.

Ahora, un equipo internacional de científicos que explora los orígenes de la atmósfera de la Tierra ha descubierto que la nuestra fue una vez muy similar a la atmósfera que se encuentra hoy en Venus y Marte. Sus hallazgos, publicados recientemente en la revista Science Advances , tienen implicaciones que van mucho más allá de la composición química de la atmósfera primitiva de la Tierra, ya que los resultados abren brechas en una teoría popular de la evolución de la vida misma.

Resulta que las pistas sobre la atmósfera primitiva de la Tierra estaban enterradas en nuestras rocas más antiguas. Lo que se necesitó para descubrirlos fue un horno láser, una bola de lava que levitaba y la Fuente de Fotones Avanzados (APS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE.

El equipo de investigación, dirigido por Paolo Sossi, ahora investigador senior en Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich y el Centro Nacional de Competencia en Investigación (NCCR) PlanetS, se propuso descubrir estos secretos. Aunque no tenían forma de medir directamente la atmósfera antigua de la Tierra, encontraron una manera de medir la composición exacta de la atmósfera cuando se formaron las rocas más antiguas de la Tierra.

«Hace cuatro mil quinientos millones de años, el magma, la roca fundida que ahora se encuentra debajo de la corteza terrestre, intercambiaba gases constantemente con la atmósfera suprayacente», explicó Sossi. «El aire y el magma se influyeron mutuamente. Así que puedes aprender sobre uno del otro».

A medida que el magma se enfría y se convierte en roca, guarda un registro de lo que era la atmósfera en ese momento. El magma es rico en hierro, y el estado de oxidación del hierro en las rocas (esencialmente la composición química de su óxido) les da a los científicos una indicación de cómo era la atmósfera primitiva de la Tierra y cuánto oxígeno estaba disponible en ese momento. Cuando hay más oxígeno en la atmósfera, el hierro se une al oxígeno en una proporción de 2: 3 y la atmósfera es rica en nitrógeno y dióxido de carbono. Cuando hay menos oxígeno disponible, la proporción es de 1: 1 y la atmósfera contiene más metano y amoníaco.

Sin embargo, para comprender la composición exacta de la atmósfera primitiva de la Tierra, los científicos esencialmente necesitaban crear una versión en miniatura de la Tierra primitiva (y su atmósfera) en el laboratorio. Para hacer esto, ensamblaron los componentes elementales del manto primitivo de la Tierra (conocido por los geólogos en la peridotita), lo calentaron con un láser hasta que se convirtió en lava fundida y luego hicieron levitar esta bola de lava fundida en una corriente de gas destinada a representar los primeros años de la Tierra. atmósfera.

Cuando la lava se enfrió, la bola de vidrio del tamaño de una canica que quedó había atrapado un registro de la reacción química entre la lava y la atmósfera en el hierro que contenía. Los avances tecnológicos que hicieron posible este experimento solo se produjeron recientemente. Para derretir la peridotita, hay que calentarla muy, muy, casi a 2000 ° C, y luego apagarla rápidamente para preservar la química a altas temperaturas. La capacidad de hacer esto fue posible con el desarrollo de una nueva técnica de horno láser.

Los científicos repitieron el experimento varias veces utilizando varias composiciones químicas de gases que podrían haber existido en la atmósfera primitiva, luego estudiaron el estado de oxidación del hierro en las muestras, buscando las que más se parecieran a las que se encuentran en las rocas del manto de la Tierra. La comparación del estado de oxidación del hierro en las rocas naturales con las formadas en el laboratorio les dio a los científicos una idea de cuál de sus mezclas de gases coincidía con la atmósfera primitiva de la Tierra.

«Descubrimos que la atmósfera que calculamos que había estado presente en la Tierra hace miles de millones de años era similar en composición a la que encontramos en Venus y Marte hoy», dijo Sossi, quien sabía que tenía la composición atmosférica correcta cuando el estado de oxidación del hierro en su muestra coincidía con las encontradas en rocas antiguas del manto de la Tierra. «Cuando tienes una atmósfera producida a partir de magma en el estado de oxidación correcto, obtienes una compuesta de aproximadamente un 97 por ciento de dióxido de carbono y un 3 por ciento de nitrógeno una vez que se enfría, la misma proporción que se encuentra hoy en Venus y Marte».

Durante años, los geólogos han recurrido al APS para estudiar la composición de las rocas y el estado de oxidación del hierro que contienen. Una línea de luz en particular en el APS administrada por científicos de la Universidad de Chicago, GeoSoilEnviroCARS (13-ID-E), se ha convertido en un líder mundial en este tipo de investigación y análisis. Cuando llegó el momento de que los científicos analizaran sus muestras, había un lugar obvio al que ir.

«El APS nos da la capacidad de fabricar haces muy pequeños con los que podemos hacer este tipo de análisis», dijo Matt Newville, investigador asociado y científico de líneas de luz del APS y autor del artículo. La línea de luz en la que trabaja puede enfocar sus rayos a tan solo 1 micrón de ancho, aproximadamente 50 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano, lo que brinda a los científicos la capacidad de realizar mediciones muy precisas y exactas de sus muestras.

«Hacemos este tipo de análisis en rocas todo el tiempo, pero estas fueron muestras increíblemente bien creadas», dijo Newville. «Que hayan podido obtener estas muestras que fueron muy buenas para simular el efecto de la atmósfera temprana es realmente increíble».

Estas muestras no solo proporcionan una forma de medir la composición de la atmósfera antigua de la Tierra, sino que también imponen algunas limitaciones geológicas a una teoría popular sobre el origen de la vida. En la década de 1950, Stanley Miller realizó un experimento pionero en la Universidad de Chicago que mostró que los aminoácidos, los componentes básicos de la vida, se formarían en un ambiente con agua líquida y aire rico en metano y amoníaco cuando se les aplicaba electricidad para simular un rayo. En ese momento, estas eran las condiciones que se creía que existían en la Tierra primitiva.

Sin embargo, si la atmósfera primitiva de la Tierra fuera rica en dióxido de carbono y nitrógeno, como indica esta nueva investigación, haría más difícil la formación de estos aminoácidos.

Estos experimentos también ayudaron a responder preguntas sobre por qué la atmósfera actual de la Tierra es tan diferente de la de nuestros planetas vecinos. En la Tierra, el agua líquida se formó a partir de esta atmósfera hecha de magma, extrayendo dióxido de carbono del aire y hacia los océanos recién formados. Sossi dijo que debido a que los tres planetas (Tierra, Venus y Marte) se formaron a partir de materiales similares, fueron los efectos combinados de la gran masa de la Tierra y su distancia particular del Sol lo que le permitió retener agua líquida en su superficie, luego provocó una reducción de dióxido de carbono. Mientras que ese no fue el caso en Venus porque hacía demasiado calor, o en Marte porque hacía demasiado frío.

Ahora que Sossi ha descubierto qué tipo de atmósfera se forma a partir de una Tierra de magma, está poniendo su mirada en las estrellas. Usando una modificación de esta técnica experimental, espera encontrar una manera de medir la composición atmosférica usando infrarrojos para que algún día podamos usar satélites para estudiar mundos de magma que realmente pueden existir en otros sistemas solares en la actualidad.