Naturalne procesy, które przemieszczają węgiel przez Ziemię, takie jak tektonika płyt, subdukcja i aktywność wulkaniczna, wydają się dziś stare i stabilne, ale planeta nie zawsze była tak spokojna. Podczas eonu archaicznego (4 do 2,5 miliarda lat temu) – młodzieńczych lat Ziemi – planeta była gorętsza i miała więcej erupcji wulkanicznych. Eon ten zakończył się wzrostem ilości tlenu w atmosferze, zwanym Wielkim Wydarzeniem Utleniania, które było początkiem bardziej dojrzałej tektoniki płyt, którą rozpoznajemy dzisiaj.
W nowym artykule w Nature, zespół badaczy, w tym członkowie DCO Reservoirs and Fluxes Community Bernard Marty i Michael Broadley (CRPG-CNRS, Francja) oraz członek Komitetu Wykonawczego Claude Jaupart (Institut de Physique du Globe de Paris, Francja), wykryli gwałtowny wzrost aktywności wulkanicznej między 2,6 a 2,2 miliarda lat temu, który prawdopodobnie uwolnił do atmosfery duże ilości wody, dwutlenku węgla i innych lotnych związków. Naukowcy przeanalizowali ślady archeańskiej atmosfery uwięzione w wypełnionych płynem pęcherzykach zwanych inkluzjami wewnątrz skał, które powstały w tym czasie. Proponują, że ten masywny strumień lotnych związków mógł zapoczątkować Wielkie Wydarzenie Utleniania.
„Nie wiemy zbyt wiele o eonie archeańskim, 3 miliardy lat temu”, powiedział Marty, współprzewodniczący Reservoirs and Fluxes Community Science Steering Committee. Niewiele skał pochodzi z tego okresu i jak podkreśla, niewiele wiemy o archeańskiej atmosferze i strumieniach wulkanicznych, „ponieważ nie było wtedy wulkanologów”.
W nowym badaniu, naukowcy zbadali dane izotopowe ze skał, które uformowały się 3,5 do 2,7 miliarda lat temu. „Izotopy są jak DNA materii” – powiedział Marty. „Każdy element ma specyficzną sygnaturę, która jest zapisem tego, co wydarzyło się wcześniej.”
Specjalnie przyjrzeli się składowi izotopowemu gazu szlachetnego ksenonu, który może być użyty do oszacowania aktywności wulkanicznej w czasie. Istnieje dziewięć różnych izotopów ksenonu, które różnią się jedynie liczbą neutronów w jądrze. Izotop 129Xe pochodzi z radioaktywnego rozpadu jodu w płaszczu i wydostaje się na powierzchnię poprzez erupcje wulkaniczne, więc stężenie tego izotopu w atmosferze jest bezpośrednio związane z emisjami wulkanicznymi. 129Xe z czasem stopniowo gromadził się w ziemskiej atmosferze.
Jak można się było spodziewać, naukowcy zauważyli, że atmosfera archeańska miała niewiele ksenonu w porównaniu z dzisiejszą atmosferą, która miała znacznie więcej czasu na zgromadzenie tego gazu. Ale byli zaskoczeni widząc szybki wzrost w 129Xe od 2,6 do 2 miliardów lat temu. Oznacza to, że Ziemia doświadczyła ogromnej aktywności wulkanicznej w tym okresie i uwolniła ogromne ilości węgla i innych lotnych związków do atmosfery, w tempie 10 do 100 razy szybszym niż obecnie.
Aktywność wulkaniczna związana z dzisiejszą tektoniką płyt nie może wyjaśnić gwałtownego wzrostu, więc Marty i jego koledzy z CRPG-CNRS współpracowali z Jaupartem, ekspertem od uwalniania ciepła z Ziemi, aby stworzyć model temperatury Ziemi i aktywności wulkanicznej w czasie. Zgodnie z niezależnym zapisem pozostawionym przez skały wulkaniczne, wewnętrzna temperatura Ziemi osiągnęła szczyt między 3 a 2,5 miliarda lat temu, ogrzewana przez rozpad pierwiastków radioaktywnych. Ponieważ prymitywna tektonika płyt nie była zbyt wydajna w uwalnianiu tego ciepła, naukowcy uważają, że Ziemia przegrzała się i stworzyła ogromne ilości pienistej mazi, zawierającej stopioną magmę, gazy i kryształy. Sygnatura 129Xe sugeruje, że grzyby wybuchały przez 200 lub 300 milionów lat, uwalniając gazy na powierzchni.
Jak nastoletnia złość, wzrost aktywności wulkanicznej pozwolił Ziemi wydmuchać dużo pary i innych lotnych substancji, zanim osiadła ona w bardziej dojrzały wzorzec tektoniki płyt.
Badacze spekulują, że ten wybuch wulkanów pod koniec epoki Archeanu może być odpowiedzialny za Wielkie Zdarzenie Utleniania, które spowodowało pojawienie się gazu tlenowego w atmosferze. „Proponujemy, że nagłe uwolnienie dwutlenku węgla i azotu do atmosfery dostarczyło wiele składników odżywczych dla bakterii, więc mogło dojść do pobudzenia aktywności bakterii, co oznacza, że pobrały one dwutlenek węgla i azot i uwolniły tlen” – powiedział Marty.
Ten gwałtowny wzrost dwutlenku węgla pod koniec archeanu nastąpił na podobną skalę jak dzisiejsze emisje dwutlenku węgla przez człowieka. Zrozumienie, w jaki sposób katastrofalne zmiany w globalnym cyklu węglowym wpłynęły na starożytną Ziemię, może pomóc nam przewidzieć zmiany, które wynikną z naszego obecnego tempa emisji.
Następnie badacze planują przeanalizować dodatkowe próbki skał z tego okresu, aby uzyskać lepszą rozdzielczość na temat czasu „tantry” płaszcza Ziemi i tego, jak mogła ona wpłynąć na ewolucję planety. Planują również przyjrzeć się roli Słońca i temu, jak zmiany w produkcji energii słonecznej mogły wpłynąć na temperaturę Ziemi w przeszłości.
„Naprawdę musimy lepiej scharakteryzować starożytną Ziemię”, powiedział Marty. „W Archeanie z pewnością rozwinęła się aktywność bakterii i rozkwitło życie. Musimy lepiej udokumentować ten okres czasu i wiedzieć o wiele więcej na temat cyklu wulkanów w odległej przeszłości.”
Główne zdjęcie: Skały archeańskie, takie jak formacja Dresser sprzed 3,45 Ga, w północno-zachodniej Australii, są dziś na Ziemi w niedoborze, co utrudnia poznanie warunków panujących na Ziemi podczas eonu archeańskiego. Dzięki uprzejmości B. Marty