La ricerca condotta in parte presso l'Advanced Photon Source ha aiutato gli scienziati a scoprire la composizione della prima atmosfera terrestre. Ciò che hanno trovato solleva interrogativi sull'origine della vita sulla Terra.

Tanto tempo fa, mentre il nostro sistema solare si stava formando nei pianeti che conosciamo oggi, La Terra era essenzialmente una gigantesca palla di lava fusa. Circa 4,5 miliardi di anni fa, gli scienziati ritengono che la Terra si sia scontrata con un pianeta delle dimensioni di Marte. L'energia di questa collisione catastrofica ha fatto esplodere l'atmosfera esistente della Terra nello spazio, ha creato la nostra Luna, e fece fondere l'intero pianeta.

Col tempo, questo oceano di magma mondiale ha rilasciato gas come azoto, idrogeno, carbonio e ossigeno, creando una nuova atmosfera, la versione più antica di quella che abbiamo oggi. Ma cosa, Esattamente, era quella prima atmosfera? E perché ora la nostra atmosfera è così diversa da quella dei nostri vicini cosmici? Queste domande hanno lasciato perplessi gli scienziati per generazioni, ma le risposte ci sono sfuggite fino a poco tempo fa.

Ora un team internazionale di scienziati che esplorano le origini dell'atmosfera terrestre ha scoperto che la nostra un tempo era molto simile all'atmosfera che si trova oggi su Venere e Marte. Le loro scoperte, recentemente pubblicato sulla rivista Progressi scientifici , hanno implicazioni che vanno ben oltre la composizione chimica della prima atmosfera terrestre, mentre i risultati bucano una teoria popolare dell'evoluzione della vita stessa.

Si scopre che gli indizi sull'atmosfera primitiva della Terra sono stati sepolti nelle nostre rocce più antiche. Quello che è servito per scoprirli è stata una fornace laser, una palla di lava levitante e l'Advanced Photon Source (APS), un U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility presso l'Argonne National Laboratory del DOE.

Il gruppo di ricerca, guidato da Paolo Sossi, ora ricercatore senior presso Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich e il National Center of Competence in Research (NCCR) PlanetS, deciso di svelare questi segreti. Sebbene non avessero modo di misurare direttamente l'antica atmosfera terrestre, hanno trovato un modo per misurare l'esatta composizione dell'atmosfera quando si sono formate le rocce più antiche della Terra.

"Quattro miliardi e mezzo di anni fa, il magma, la roccia fusa che ora giace sotto la crosta terrestre, scambia costantemente gas con l'atmosfera sovrastante, Sossi spiegò. «L'aria e il magma si influenzavano a vicenda. Così, puoi imparare l'uno dall'altro."

Mentre il magma si raffredda e si trasforma in roccia, si blocca in una registrazione di com'era l'atmosfera in quel momento. Il magma è ricco di ferro, e lo stato di ossidazione del ferro nelle rocce (essenzialmente la composizione chimica della sua ruggine) dà agli scienziati un'indicazione di come fosse l'atmosfera primitiva della Terra, e quanto ossigeno era disponibile in quel momento. Quando c'è più ossigeno nell'atmosfera, il ferro si lega all'ossigeno in rapporto 2:3, e l'atmosfera è ricca di azoto e anidride carbonica. Quando è disponibile meno ossigeno, il rapporto è 1:1, e l'atmosfera contiene più metano e ammoniaca.

Però, per capire l'esatta composizione della prima atmosfera terrestre, gli scienziati avevano essenzialmente bisogno di creare una versione in miniatura della Terra primitiva (e della sua atmosfera) in laboratorio. Per fare questo, hanno assemblato i componenti elementari del primo mantello terrestre (noto ai geologi a peridotite), lo ha riscaldato con un laser fino a quando non è diventato lava fusa e poi ha fatto levitare questa palla di lava fusa in un flusso di gas destinato a rappresentare la prima atmosfera della Terra.

Quando la lava si è raffreddata, la sfera di vetro grande quanto marmo rimasta aveva intrappolato nel ferro che conteneva una registrazione della reazione chimica tra la lava e l'atmosfera. I progressi tecnologici che hanno reso possibile questo esperimento sono avvenuti solo di recente. Per fondere la peridotite, devi prenderlo molto, molto caldo, quasi 2000°C, e poi spegnerlo rapidamente per preservare la chimica alle alte temperature. La capacità di farlo è stata resa possibile con lo sviluppo di una nuova tecnica di forno laser.

Gli scienziati hanno ripetuto l'esperimento diverse volte utilizzando varie composizioni chimiche di gas che avrebbero potuto esistere nell'atmosfera primitiva, poi studiato lo stato di ossidazione del ferro nei campioni, cercando quelli che assomigliassero di più a quelli trovati nelle rocce del mantello terrestre. Il confronto dello stato di ossidazione del ferro nelle rocce naturali con quello formato in laboratorio ha dato agli scienziati un'idea di quale delle loro miscele di gas corrispondesse all'atmosfera primitiva della Terra.

"Abbiamo scoperto che l'atmosfera che abbiamo calcolato fosse presente sulla Terra miliardi di anni fa era simile nella composizione a quella che troviamo oggi su Venere e Marte, "disse Sossi, chi sapeva di avere la corretta composizione atmosferica quando lo stato di ossidazione del ferro nel loro campione corrispondeva a quelli trovati nelle antiche rocce del mantello terrestre. "Quando hai un'atmosfera prodotta dal magma al giusto stato di ossidazione, ne ottieni uno composto da circa il 97% di anidride carbonica e il 3% di azoto una volta che si raffredda, lo stesso rapporto che si trova oggi su Venere e Marte."

Per anni, i geologi si sono rivolti all'APS per studiare la composizione delle rocce e lo stato di ossidazione del ferro contenuto al loro interno. Una particolare linea di luce all'APS gestita da scienziati dell'Università di Chicago, GeoSoilEnviroCARS (13-ID-E), è diventato un leader mondiale in questo tipo di ricerca e analisi. Quando è arrivato il momento per gli scienziati di far analizzare i loro campioni, c'era un posto ovvio dove andare.

"L'APS ci dà la possibilità di realizzare travi molto piccole con cui possiamo fare questo tipo di analisi, " ha detto Matt Newville, un ricercatore associato senior e uno scienziato della linea di luce presso l'APS e un autore del documento. La linea di luce su cui lavora può focalizzare i suoi raggi fino a 1 micron di diametro, circa 50 volte più piccola della larghezza di un capello umano, dando agli scienziati la possibilità di effettuare misurazioni molto precise e accurate dei loro campioni.

"Facciamo questo tipo di analisi sulle rocce tutto il tempo, ma questi erano campioni incredibilmente ben creati, " ha detto Newville. "Che siano stati in grado di ottenere questi campioni che erano molto bravi a simulare l'effetto della prima atmosfera è davvero incredibile".

Questi campioni non solo forniscono un modo per misurare la composizione dell'antica atmosfera terrestre, ma mettono anche alcuni vincoli geologici su una teoria popolare dell'origine della vita. Negli anni Cinquanta, Stanley Miller ha condotto un esperimento innovativo presso l'Università di Chicago che mostra che gli amminoacidi, gli elementi costitutivi della vita, si formerebbero in un ambiente con acqua liquida e aria ricca di metano e ammoniaca se colpiti con l'elettricità per simulare un fulmine. Al tempo, queste erano le condizioni che si credeva esistessero sulla Terra primordiale.

Però, se l'atmosfera primitiva della Terra fosse invece ricca di anidride carbonica e azoto come indica questa nuova ricerca, renderebbe più difficile la formazione di questi amminoacidi.

Questi esperimenti hanno anche aiutato a rispondere alle domande sul perché l'atmosfera attuale della Terra sia così diversa dai nostri pianeti vicini. Sulla terra, acqua liquida formata da questa atmosfera fatta di magma, tirando l'anidride carbonica dall'aria e negli oceani di nuova formazione. Sossi ha detto questo perché tutti e tre i pianeti, la Terra, Venere e Marte:erano formati da materiali simili, sono stati gli effetti combinati sia della grande massa della Terra che della sua particolare distanza dal Sole che le hanno permesso di trattenere l'acqua liquida sulla sua superficie, che poi ha causato un prelievo di anidride carbonica. Mentre su Venere non era così perché faceva troppo caldo, o su Marte perché faceva troppo freddo.

Ora che Sossi ha capito che tipo di atmosfera si forma da una Terra-magma, sta puntando gli occhi sulle stelle. Utilizzando una modifica di questa tecnica sperimentale, spera di trovare un modo per misurare la composizione atmosferica usando gli infrarossi in modo che un giorno possiamo usare i satelliti per studiare mondi di magma che potrebbero effettivamente esistere in altri sistemi solari oggi.