Jak zderzenia asteroid i komet opóźniły ewolucję atmosfery

Badanie wykazało, że kolizje, które zatrzymały wzrost tlenu na planecie, są częstsze niż wcześniej sądzono.

Między 2,5 a 4 miliardami lat temu, w czasie znanym jako eon archaiczny, ziemską pogodę można często opisać jako pochmurną z możliwością wystąpienia asteroidy.

W tamtych czasach asteroidy lub komety uderzały w Ziemię. W rzeczywistości największy z nich, szeroki na ponad sześć mil, zmienił chemię wczesnej atmosfery planety. Chociaż wszystko to zostało ogólnie zaakceptowane przez geologów, to, co nie jest dobrze rozumiane, to to, jak często te duże asteroidy będą się zderzać i jak skutki tych uderzeń wpłynęły na atmosferę, szczególnie na poziom tlenu. Zespół naukowców uważa, że ​​ma już pewne odpowiedzi.

W nowym badaniu, Nadia Drapon, adiunkt nauk o Ziemi i planetarnych na Uniwersytecie Harvarda, była częścią zespołu, który przeanalizował starożytne pozostałości asteroid i modelował skutki ich zderzeń, aby pokazać, że uderzenia miały miejsce częściej niż wcześniej sądzono, oraz mogło zostać opóźnione, gdy tlen zaczął gromadzić się na planecie. Nowe modele mogą pomóc naukowcom dokładniej zrozumieć, kiedy planeta zaczęła swoją drogę do Ziemi, którą znamy dzisiaj.

„Wolny tlen w atmosferze ma kluczowe znaczenie dla każdego organizmu, który wykorzystuje oddychanie do produkcji energii” – powiedział Drapon. „Gdyby nie nagromadzenie tlenu w atmosferze, prawdopodobnie nie byłoby nas”.

Zespół kierowany przez Southwest Research Institute zaktualizował modele bombardowań planetarnych, aby zrozumieć, jak duże uderzenia, takie jak to pokazane tutaj, wpłynęły na poziom tlenu w ziemskiej atmosferze w okresie Archaean, 2,5 do 4 miliardów lat temu. Źródło: SwRI / Simone Marchi

Praca jest opisana w nauki przyrodnicze Kierował nim Simon Marchi, naukowiec z Southwest Research Institute w Boulder w stanie Kolorado.

Naukowcy odkryli, że obecne modele bombardowań planetarnych nie doceniają częstotliwości kolizji asteroid i komet z Ziemią. Nowy wysoki wskaźnik zderzeń wskazuje, że kolizje uderzają w planetę mniej więcej co 15 milionów lat, około 10 razy częściej niż obecne modele.

Naukowcy zdali sobie z tego sprawę po przeanalizowaniu zapisów czegoś, co wyglądało na zwykłe kawałki skały. W rzeczywistości jest to starożytny dowód, znany jako kule uderzeniowe, które tworzyły się w ognistych zderzeniach za każdym razem, gdy w planetę uderzały duże asteroidy lub komety. W rezultacie energia zderzenia stopiła materiał skalny w skorupie ziemskiej i odparował go, uwalniając gigantyczny pióropusz. Małe kropelki stopionej skały w tej chmurze kondensują i zestalają się, opadając z powrotem na ziemię jako cząstki wielkości piasku, które osiadają z powrotem na skorupie ziemskiej. Te starożytne ślady są trudne do znalezienia, ponieważ tworzą w skale warstwy, które zwykle nie są większe niż cal.

„Zasadniczo chodzisz na długie spacery i patrzysz na wszystkie skały, które możesz znaleźć, ponieważ cząstki uderzenia są tak małe” – powiedział Drapon. „Naprawdę tak łatwo za nimi tęskniłem”.

Badanie prowadzone przez SwRI zaktualizowało modele bombardowania oparte na maleńkich cząsteczkach szkła, znanych jako kule uderzeniowe, które wypełniają kilka cienkich, oddzielnych warstw skorupy ziemskiej, których wiek waha się od około 2,4 do 3,5 miliarda lat. Warstwy globul – takie jak ta widziana w tym 5-centymetrowym, 2,6 miliarda-letnim okazie z Australii – są oznakami starożytnych kolizji. Źródło: dzięki uprzejmości UCLA/Scott Hasler i Oberlin/Bruce Simonson

Ale naukowcy, tacy jak Drapon, mieli przerwy. „W ciągu ostatnich dwóch lat znaleziono dowody na szereg dodatkowych efektów, których wcześniej nie rozpoznano” – powiedziała.

Te nowe warstwy kuliste zwiększyły całkowitą liczbę znanych zdarzeń kolizyjnych we wczesnej fazie Ziemi. Umożliwiło to zespołowi Southwest Research Institute zaktualizowanie modeli bombardowania, aby stwierdzić, że częstość kolizji jest niedoszacowana.

Następnie naukowcy przeprowadzili modelowanie, w jaki sposób wszystkie te efekty mogą wpływać na atmosferę. Odkryli, że zasadniczo skumulowane skutki zderzeń meteorytów z obiektami o wielkości ponad sześciu mil prawdopodobnie stworzyły pochłaniacz tlenu, który pochłonął większość tlenu z atmosfery.

Wyniki są zgodne z zapisem geologicznym, który pokazuje, że poziomy tlenu atmosferycznego zmieniały się, ale pozostawały stosunkowo niskie we wczesnym okresie archeologicznym. Tak było do około 2,4 miliarda lat temu, pod koniec tego okresu, kiedy bombardowanie zwolniło. Ziemia przeszła wtedy poważną zmianę w chemii powierzchni, która wynikała ze wzrostu poziomu tlenu, znanego jako Wielkie Utlenianie.

„Z biegiem czasu zderzenia stawały się coraz rzadsze i zbyt małe, aby móc znacząco zmienić poziom tlenu po GOE” – powiedział Markey w oświadczeniu. „Ziemia była na dobrej drodze, aby stać się obecną planetą”.

Drapon powiedział, że kolejne etapy projektu obejmują przetestowanie prac modelarskich, aby zobaczyć, co mogą sami modelować w skałach.

„Czy rzeczywiście możemy prześledzić w zapisie skalnym, w jaki sposób tlen został pochłonięty z atmosfery?” – zapytał Drapun.

Odniesienie: „Późne i zmienne utlenianie atmosferyczne spowodowane wyższymi współczynnikami zderzeń na Ziemi” S. Marchi, N. Drapon, T. Schulz, L. Schaefer, D. Nesvorny, WF Bottke, C. Koeberl i T. Lyons, październik 21 2021, nauki przyrodnicze.
DOI: 10.1038 / s41561-021-00835-9