Seria bombardowań w sprzyjających warunkach. Nieznana historia planety Ziemia
Pięć miliardów lat temu lub trochę dawniej gdzieś w naszej kosmicznej okolicy doszło do wybuchu supernowej. Powstała w ten sposób fala uderzeniowa (strumień materii), która, przechodząc przez mgławicę, z której później powstał nasz Układ Słoneczny, zainicjowała zagęszczanie się materii, wprawiając ją w lub zwiększając jednocześnie jej ruch obrotowy.
W wyniku przyciągania grawitacyjnego zagęszczenie przyspieszało. Większość masy (ponad 99 proc.) formującego się dysku skoncentrowała się w jego centralnej części. Zapadanie grawitacyjne materiału mgławicy przekształcało energię grawitacyjną obłoku w energię cieplną. W centrum mgławicy szybkość przemiany energii grawitacyjnej w cieplną przewyższała szybkość przenoszenia tej energii na zewnątrz, co prowadziło do znacznego rozgrzania się centralnej części dysku. Dalsze zapadanie wywołało reakcję termojądrową przemieniającą atomy wodoru w hel. Zajaśniało nasze Słońce (1).
Po zapłonie Słońca jego promieniowanie czyli wiatr słoneczny wydmuchnął wszystkie drobniejsze składniki mgławicy, zostawiając Układ Słoneczny w takiej postaci, w jakiej go znamy. Powstające w dysku niejednorodności narastały i powiększały się, różnice w prędkości obrotowej sprawiały, że zagęszczenia przyjmowały najpierw formę pierścieni, później, gdy wystąpiły w nich większe gęstości, pod wpływem grawitacji trwał lokalny proces dalszego ich zagęszczania.
Sukcesywnie dochodziło do kolizji różnych obiektów, co prowadziło do powiększania ich masy. W zderzających się z dużą prędkością drobnych ciałach dominowało kruszenie, takie, jakie obserwuje się obecnie w pierścieniach planetarnych. Większość istniejących wówczas drobnych obiektów w późniejszych okresach spadła na planety. Tylko niewielka część tych okruchów pozostała do dziś w Układzie Słonecznym i są one klasyfikowane jako drobne ciała niebieskie.
Ważną rolę odegrały w tym gazy, które wyhamowywały obiekty i umożliwiały im zlepianie się. W ten sposób powstały protoplanety. Jedną z nich, oddaloną od Słońca o około 150 milionów kilometrów, była Ziemia. Według obecnego datowania Ziemia uformowała się 4,54 ±0,05 mld lat temu, czyli zaledwie ok. 100 mln lat po powstaniu Słońca. Nie wiemy jednak dokładnie, jak to się stało.
Nowe, dokładniejsze, pomiary laboratoryjne wskazują, że głównym czynnikiem pobudzającym tworzenie Układu Słonecznego były magnetyczne fale uderzeniowe w chmurze pyłów i gazów otaczających nowopowstałe Słońce. Takie wnioski z badań najstarszych i najbardziej prymitywnych meteorytów zwanych chondrytami, opublikowali pod koniec ubiegłego roku w "Science" naukowcy z Massachusetts Institute of Technology oraz Uniwersytetu Stanowego w Arizonie.
Naukowcy wciąż nie mają dokładnej teorii, jak formują się planety (albo czy w ogóle jest tylko jeden sposób). Obecnie walczą (a może się uzupełniają?) dwa modele. Pierwszy i najszerzej akceptowany mówiący o akrecji jądra, sprawdza się w przypadku formowania się planet skalistych takich jak Ziemia, ale ma kłopoty z planetami dużymi.
Drugi, oparty na niestabilności dysku, może odpowiadać za powstanie największych planet. Dochodzą teorie "komplikujące", jak np. opublikowane kilkanaście miesięcy temu w czasopiśmie "Science Advances American Association for the Advancement of Science", badania sugerujące, że wiele oryginalnych planetarnych elementów naszego Układu Słonecznego mogło w rzeczywistości zacząć funkcjonować nie jako obiekty skaliste, ale jako gigantyczne kule ciepłego błota.
Chociaż populacja komet i asteroid przechodzących przez wewnętrzny Układ Słoneczny jest dziś niewielka, były one bardziej obfite, gdy planety i Słońce były młode. Zderzenia z tymi lodowymi ciałami prawdopodobnie zdeponowały na powierzchni Ziemi znaczną część jej wody. Planeta nasza znajduje się w strefie Złotowłosej, czyli w regionie, w którym woda może pozostać w stanie ciekłym, co zdaniem wielu naukowców odgrywa kluczową rolę w rozwoju życia.
Ziemia się rozpada - Jowisz wymiata
Z jednej strony obowiązuje coś w rodzaju głównego nurtu przekonań naukowych na temat powstania i wczesnego okresu w historii Ziemi. Z drugiej mnóstwo jest zagadek, konkurujących hipotez i nowych koncepcji, dawniej nie branych pod uwagę.
Należy do nich popularna dziś hipoteza zakładająca, że miliardy lat temu w wewnętrznym Układzie Słonecznym istniał obiekt wielkości Marsa, nazywany Theia, umiejscowiony tuż przy orbitalnym szlaku protoplanety, z której ukształtowała się ostatecznie Ziemia. Gdy doszło do kolizji Thei z obiektem, którego być może nie należy jeszcze nazywać Ziemią, w przestrzeń kosmiczną wyrzucone zostało mnóstwo materiału, z którego później powstała Ziemia i Księżyc. Co zaś stało się z Theią, tego nie określa się dokładnie.
Obecnie astronomowie z Harvardu przypuszczają, że takie kosmiczne katastrofy skutkują bardziej widowiskowymi efektami. Naukowcy stworzyli model komputerowy obrazujący zderzenie dwóch dużych i gorących obiektów o podobnej masie obrotowej.
Stwierdzili, że najbardziej gwałtowne z takich kolizji wytworzyłyby synestię - osobliwe halo gazowe powstałe z rozpuszczonych skał, wirujących wokół płynnego rdzenia (2). Nowo powstały obiekt, żyjący jedynie przez paręset lat, miałby znacznie większą objętość niż obiekty, które się zderzyły. Nie byłoby na nim ani cieczy, ani obiektów stałych.
Zespół uważa również, że po około stuleciu trwania w tej formie synestia traci tyle ciepła, że z powrotem zastyga do skalistej postaci. Część skał synestii znalazłaby się na orbicie zestalonego ponownie obiektu, dając początek Księżycowi. Autorzy przypuszczają, że większość obecnych planet była początkowo synestiami. Model ten wywołał mieszane reakcje w szeregach planetologów, z których wielu zachowuje sceptycyzm wobec tej teorii.
Innym, bardziej akceptowanym scenariuszem, który miał i ma nadal duże znaczenie dla losów Ziemi jest teoria migracji Jowisza. Według wyliczeń Francesco DeMeo, naukowca z amerykańskiego Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Jowisz w przeszłości znajdował się tak blisko Słońca jak obecnie Mars. Następnie, podczas migracji ku swojej obecnej orbicie, Jowisz zniszczył prawie w całości Pas Planetoid - pozostało w nim do dziś jedynie 0,1 proc. populacji asteroid.
Z drugiej strony, ta migracja wyekspediowała mniejsze obiekty do krańców Układu Słonecznego (3), co miało potem duże znaczenie dla "spokoju" naszej planety, jednak na wczesnym jednak etapie mogło to doprowadzić do silnego bombardowania dostarczającego wczesnej Ziemi dużo ważnych dla dalszego rozwoju wypadków substancji, przede wszystkim wodę.
Do roli Jowisza, ale nie tylko jego nawiązuje zdobywający w ostatnich latach popularność dwuetapowy model formowania się Ziemi nazywamy modelem pojawienia się biopierwiastków (ABEL), który przedstawia nieco inną opowieść o wczesnej Ziemi niż ta, do której przez dekady nas przyzwyczajano. Co nie znaczy, że różni się od innych teorii radykalnie, bo nie tyle wprowadza nowe elementy co reinterpretuje istniejące.
Dwie wcześniejsze teorie powstania Ziemi naukowcy zakładały, że oceany powstały w wyniku ucieczki pary wodnej i innych gazów z atmosfery. Kiedy powierzchnia Ziemi ochłodziła się do temperatury poniżej punktu wrzenia wody, w wyniku opadów deszczu woda spływała do wielkich zagłębień w powierzchni Ziemi, tworzyły się oceany. Grawitacja uniemożliwiła wodzie opuszczenie Ziemi.
Model ABEL zakłada, że Ziemia narodziła się jako sucha planeta bez atmosfery i składników oceanicznych 4,56 mld lata temu, zaś potem dopiero nastąpiła wtórna akrecja biopierwiastków, takich jak węgiel (C), wodór (H), tlen (O) i azot (N), która osiągnęła szczyt w 4,37-4,20 mld lat temu. Przyjmuje się zarazem założenie, że ziemska woda pochodzi głównie z węglowego materiału chondrytowego, co wynika z proporcji izotopów wodoru (4).
Gdyby bombardowanie ABEL nie miało miejsca, życie nigdy nie powstałoby na Ziemi, twierdzą zwolennicy tej hipotezy. Ponadto z powodu wstrzykiwania lotnych substancji do początkowej suchej Ziemi wyzwoliło przejście Ziemi od litej pokrywy do tektoniki płyt co również miało przełomowe znaczenie. Dlatego też jest jednym z najważniejszych dla naszej planety wydarzeń. Uważa się, że bombardowanie ABEL miało miejsce w okresie 4,37-4,20 mld lat temu.
Przez długi czas uważano, że formowanie się oceanu i atmosfery jest równoczesne z pierwotną akrecją Ziemi. Jednak rachunek ilości wody, także przy założeniu zderzenia z Theią i formowaniem Księżyca, nie bardzo się zgadzał.
Model ABEL może przezwyciężyć te trudności, starając się wyjaśnić dostawę wody i lotnych substancji potrzebnych do zapoczątkowania prebiotycznej ewolucji chemicznej, która w dalszej konsekwencji doprowadziła do powstania życia na Ziemi, dzięki mieszaniu się materiału redukcyjnego i utleniającego podczas teoretycznego wczesnego bmbardowania. Nastąpić miało ponad 200 milionów lat później niż etap T-tauri (dopiero co powstałego słońca), dlatego uważa się, że to wydarzenie nie jest związane z główną częścią procesu formowania się planet. Jeśli tak, to powinien istnieć inny czynnik wyzwalający bombardowanie ABEL.
Jeden z możliwych scenariuszy jest następujący: trzy gazowe giganty - Jowisz, Saturn i hipotetyczna planeta "czarna owca" zostały uformowane jako pierwsze. Grawitacyjne interakcje wyrzuciły "czarną owcę", która być może znajduje się obecnie w Pasie Kuipera a może została całkiem wypchnięta z Układu Słonecznego.
To dramatyczne wydarzenie doprowadzić mogło do ciężkiego bombardowania suchej i pozbawionej atmosfery Ziemi, która właśnie nieco ostygła po pierwszym etapie formowania. Lodowe asteroidy złożone z węglowych chondrytów uderzały w Ziemię, kierowane z zewnętrznej części pasa asteroid w wyniku grawitacyjnego oddziaływania Jowisza, Saturna i zaginionej dużej planety. To one dostarczyły budulec dla atmosfery i oceanu na suchą Ziemię.
Mieszanie się materiału redukcyjnego z utleniającym zapoczątkowało reakcje chemiczne, która stały pierwszym bodźcem do powstania życia na Ziemi. Dodatkowo, bombardowanie ABEL, w ramach której uderzać miały w pierwotną Ziemię obiekty o średnicy nawet tysiąca kilometrów, umożliwiło przejście od zastygłej tektoniki pokrywowej do tektoniki płyt.
Dostawa wody z zewnątrz? Niekoniecznie
W tym czy w innych modelach zakłada się, że pierwotna dostawa wody na Ziemię wiązała się z uderzeniami takich obiektów jak np. komety. Mamy jednak dane, które zdają się przeczyć teorii, że dostawa wody na Ziemię pochodzi właśnie z nich. Według wyników badań przeprowadzonych za pomocą sondy Rosetta, woda na komecie 67P/Czuriumow-Gierasimienko na inny skład izotopowy niż ta, która znajduje się w ziemskich zbiornikach wodnych. Oznaczać to może w praktyce, że ziemska woda nie pochodzi komet, a przynajmniej nie z komet takiego typu jak 67P.
Są inne wyniki, wykazujące, że przynajmniej połowa wody, która jest obecnie na planecie Ziemia powstała zanim powstała nasza gwiazda. Dla naukowców, którzy napisali o tym w magazynie "Science", nie jest jasne jednak, czy woda pochodzi z chmury będącej fazą zalążkową Układu Słonecznego, czy w ogóle przybyła z zewnątrz.
Skąd uczeni wiedzą, jak stara jest woda? Zbadano jej wiek za pomocą analizy stosunku izotopu deuteru w atomach wodoru. Woda powstająca w określonych warunkach różni się jego zawartością od wody formującej się w innych. np. zawartość deuteru w wodzie powstałej w warunkach międzygwiezdnych jest relatywnie wysoka.
Geolodzy z University of Saskatchewan w Kanadzie posłużyli się zaawansowaną symulacją, za pomocą której obliczyli, że wielkie ilości wody mogą powstawać nie gdzieś w komosie ale we wnętrzu Ziemi dzięki reakcjom chemicznym zachodzącym na głębokości nawet tysiąca kilometrów. Woda powstaje tam w temperaturze około 1400 stopni Celsjusza i pod ciśnieniem 20 tysięcy razy większym od atmosferycznego.
Pochodzenie wody na Ziemi nie jest więc wcale jasne. A co z atmosferą? Uważa się, że nieostygła jeszcze kula magmy wydzielała gazy takie jak azot, wodór, węgiel i tlen, tworząc najstarszą znaną wersję atmosfery. "Stwierdziliśmy, że atmosfera, którą według naszych obliczeń była obecna na Ziemi miliardy lat temu, miała podobny skład do tego, co znajdujemy dziś na Wenus i Marsie", pisze Paolo Sossi z ETH w Zurichu, współautor pracy na ten temat opublikowanej w czasopiśmie "Science Advances" w 2021 r.
Aby poznać dokładny skład wczesnej atmosfery Ziemi, naukowcy musieli stworzyć w laboratorium miniaturową wersję wczesnej Ziemi (i jej atmosfery). Zebrali elementarne składniki wczesnego płaszcza Ziemi (znanego geologom jako perydotyt), podgrzali go laserem do momentu, aż stał się stopioną lawą, a następnie lewitowali tę kulę stopionej lawy w strumieniu gazu, który miał reprezentować najwcześniejszą atmosferę Ziemi.
Mówi się, że Ziemia miała w swojej historii trzy atmosfery. Pierwsza atmosfera, przechwycona być może z mgławicy słonecznej, składała się z lekkich pierwiastków z mgławicy słonecznej, głównie wodoru i helu. Działanie wiatru słonecznego i ciepła Ziemi wyparło tę atmosferę. Po zderzeniu, które stworzyło Księżyc, stopiona Ziemia uwolniła lotne gazy; a później więcej gazów zostało uwolnionych przez wulkany, uzupełniając drugą atmosferę bogatą w gazy cieplarniane, ale ubogą w tlen. Wreszcie trzecia atmosfera, bogata w tlen, pojawiła się, gdy bakterie zaczęły produkować tlen około 2,8 mld lat temu.
Tajemnice pradawnych skał
W rejonie wzgórz Jack Hills w Australii już wiele lat temu znajdowano ślady cyrkonu (5) świadczące o tym, że Ziemia, przynajmniej jej część, musiała się schłodzić i skrystalizować w formę stałą już 4,4 mld lat temu. W dodatku poziom tlenu w tamtejszych skałach sugeruje, że klimat był wówczas na tyle łagodny, że pozwalał na istnienie wody w stanie ciekłym.
Jednak według naszej obecnej wiedzy (publikacje w "Nature" w ostatnich latach), najwcześniejsze formy życia pojawiły się znacznie później, co najmniej 3,95 miliarda lat temu, w czasie, gdy trwał intensywny nalot komet i asteroid. Kiedy japońscy badacze w tym badaniu, pod kierunkiem geologa Tsuyoshi Komiya z Uniwersytetu w Tokio, zbadali próbki skał z Kanady, zauważyli ślady życia w postaci biogenicznie modyfikowanej skały grafitowej. Te wyniki zresztą są dla wielu zbyt kontrowersyjne - inni eksperci wątpią w ich datowanie. Ogólnie jednak w ostatnich latach rośnie grono badaczy spychających początki życia do czasów kiedy naukowcy kiedyś uważali Ziemię za niezdatną do zamieszkania.
Z czasów, gdy nasza planeta powstała około 4,5 miliarda lat temu na powierzchni praktycznie nie ma żadnych śladów skalnych. Być może są ukryte we wnętrzu planety, podobnie jak fragmenty tajemniczej Thei, w pewnym sensie naszej współmatki.
To co udaje się znaleźć z tych najstarszych pozostałości prawie zawsze prowadzi do zamieszania w ustalonej wiedzy. np. wspomniane mikroskopijne minerały wydobyte w 2020 r. ze starożytnej odkrywki Jack Hills, w Zachodniej Australii, wydają się nosić ślady ziemskiego pola magnetycznego sięgające aż 4,2 miliarda lat wstecz, czyli miliard lat wcześniej, niż zakładano. Może to sugerować, że pole magnetyczne ziemi istnieje praktycznie od samego początku istnienia naszej planety.
Pole magnetyczne odgrywa ważną rolę w przydatności naszej planety do życia. Jest kolejnym, po ciekłej wodzie, atmosferze, kluczowym warunkiem istnienia form biologicznych, działa bowiem jako swego rodzaju tarcza, odchylająca zabójczy, wiatr słoneczny, który mógłby zniszczyć atmosferę. Dawniej uważano, że pole magnetyczne Ziemi istniało co najmniej 3,5 miliarda lat temu. Jednocześnie uważa się, że jądro planety zaczęło krzepnąć zaledwie miliard lat temu, co oznacza, że pole magnetyczne musiało być napędzane wcześniej przez jakiś inny mechanizm. Nie wiadomo jednak dokładnie jaki.
Zakładając więc, że wszystkie te elementy, energię, wodę w stanie ciekłym, atmosferę (beztlenową, ale dziś wiemy, że nie każdemu życiu tlen jest potrzebny) i w końcu ochronne pole magnetyczne, istniały już bardzo wcześnie w dziejach Ziemi, przestajemy się dziwić, że naukowcy znajdują coraz starsze ślady wskazujące na istnienie życia na naszej planecie.
Mirosław Usidus
