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揭开地球早期大气层的秘密

部分在高级光子源上进行的研究帮助科学家发现了地球第一层大气的组成。他们发现的东西引发了关于地球生命起源的疑问。

很久以前,当我们的太阳系逐渐形成今天我们所知道的行星时,地球本质上是一个巨大的熔岩球。大约45亿年前,科学家认为地球与火星大小的行星相撞。这场灾难性碰撞产生的能量将地球上现有的大气层吹向太空,创造了我们的月球,并使整个星球融化。

随着时间的流逝,这个全球性的岩浆海洋释放出氮气,氢气,碳和氧气等气体,创造了一种新的气氛,这是我们今天拥有的最古老的气氛。但是,那早期的气氛到底是什么样的呢?为什么现在的气氛与宇宙邻居的气氛如此不同?这些问题使科学家困扰了几代人,但是直到最近,答案才一直困扰着我们。

现在,一个由国际科学家组成的探索地球大气起源的团队发现,我们的曾经与当今在金星和火星上发现的大气非常相似。他们的发现最近发表在《科学进展》杂志上,其含义远远超出了地球早期大气的化学成分,因为这些结果戳穿了生命本身进化的流行理论中的漏洞。

原来,有关地球早期大气的线索被埋在了我们最古老的岩石中。发现它们所需的是一台激光炉,一个悬浮的熔岩球和高级光子源(APS),这是能源部(DOE)科学技术部位于阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的用户设施办公室。

由现任苏黎世工业大学(ETH)和苏黎世国家能力研究中心(NCCR)PlanetS的高级研究员Paolo Sossi领导的研究小组着手揭开这些秘密。尽管他们无法直接测量地球古代的大气层,但他们找到了一种方法,可以在地球上最古老的岩石形成时测量大气层的确切组成。

索西解释说:“四十五亿年前,岩浆-现在位于地壳下的熔融岩石-与上层大气不断交换气体。” “空气和岩浆相互影响。因此,您可以相互了解。”

随着岩浆冷却并变成岩石,它锁定了当时大气的记录。岩浆富含铁,岩石中铁的氧化态(本质上是铁锈的化学成分)为科学家提供了地球早期大气状况以及当时可用氧气的指示。当大气中有更多氧气时,铁与氧气以2:3的比例键合,并且大气中富含氮和二氧化碳。当可用的氧气较少时,该比例为1:1,并且大气中包含更多的甲烷和氨。

但是,为了了解地球早期大气的确切组成,科学家本质上需要在实验室中创建早期地球(及其大气层)的微型版本。为此,他们组装了地球早期地幔的元素(在橄榄岩中为地质学家所知),用激光对其加热直至变成熔岩,然后将这股熔岩悬浮在气流中,这代表了地球最早的地幔。气氛。

当熔岩冷却时,剩下的大理石大小的玻璃球记录了熔岩与其中所含铁中的大气之间的化学反应的记录。使该实验成为可能的技术进步只是在最近才出现的。为了熔化橄榄岩,您必须使其变得非常非常热(接近2000°C),然后迅速对其进行淬火以保持高温下的化学性能。随着新的激光炉技术的发展,做到了这一点成为可能。

科学家使用可能存在于早期大气中的各种化学成分的气体重复了多次实验,然后研究了样品中铁的氧化态,寻找与地球地幔岩石中最相似的气体。将天然岩石中的铁的氧化态与实验室中形成的铁进行比较,可以使科学家们了解到,其中的一种气体混合物与地球早期的大气层相匹配。

索西说:“我们发现,数十亿年前我们已经计算出的大气成分与今天在金星和火星上存在的成分相似,”索西说。他们的样本与从地球地幔中的古代岩石中发现的样本相匹配。“当岩浆产生的大气处于正确的氧化状态时,一旦冷却,就会得到大约97%的二氧化碳和3%的氮气,这与今天在金星和火星上发现的比例相同。”

多年以来,地质学家一直使用APS来研究岩石的成分和其中所含铁的氧化态。由芝加哥大学的科学家GeoSoilEnviroCARS(13-ID-E)管理的APS上的一条特殊光束线已成为此类研究和分析的世界领先者。当科学家对样品进行分析的时候到了,这显然是值得去的地方。

“ APS使我们能够制造非常小的光束,我们可以使用这种光束进行这种类型的分析,” APS的高级研究助理和光束线科学家,论文的作者马特·纽维尔(Matt Newville)说。他研究的光束线可以将光束聚焦到最小1微米的范围内,比人发的宽度小50倍,从而使科学家能够对样品进行非常精确的测量。

纽维尔说:“我们一直在对岩石进行这种类型的分析,但是这些都是令人惊奇地精心制作的样本。” “他们能够获得非常擅长模拟早期大气影响的样本,这真是令人难以置信。”

这些样本不仅提供了一种测量地球古代大气成分的方法,而且还对流行的生命起源理论提出了一些地质上的限制。1950年代,史丹利·米勒(Stanley Miller)在芝加哥大学进行了一项开创性的实验,结果表明,氨基酸是生命的基本组成部分,当用液态水和富含甲烷和氨的空气在通电后模拟闪电时,就会形成氨基酸。当时,这些条件被认为存在于地球早期。

但是,如果这项新的研究表明,如果地球早期的大气中富含二氧化碳和氮,那么这些氨基酸的形成将更加困难。

这些实验还帮助回答了以下问题:为什么地球目前的大气与我们邻近的行星如此不同。在地球上,液态水是在这种岩浆形成的大气中形成的,将二氧化碳从空气中吸出并进入了新形成的海洋。索西说,由于所有三个行星(地球,金星和火星)都是由相似的材料形成的,正是地球的大质量及其与太阳的特殊距离的共同作用才使它能够在其表面上保留液态水,然后导致二氧化碳减少。而金星不是因为温度太高,而火星不是因为温度太高。

现在,索西已经弄清楚了岩浆-地球形成了什么样的大气,他将目光投向了恒星。他希望通过对这种实验技术的改进,找到一种使用红外测量大气成分的方法,以便有一天我们可以使用卫星研究当今其他太阳系中可能实际存在的岩浆世界。

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