Under Hadean Eon, för cirka 4,5 miljarder år sedan, var världen en mycket annan plats än den är idag. Det var också under denna tid som utgasning och vulkanisk aktivitet producerade den ursprungliga atmosfären bestående av koldioxid, väte och vattenånga.
Lite av denna ursprungliga atmosfär finns kvar, och geotermiska bevis tyder på att jordens atmosfär kan ha utplånats minst två gånger sedan dess bildning för mer än 4 miljarder år sedan. Fram tills nyligen var forskare osäkra på vad som kunde ha orsakat denna förlust.
Men en ny studie från MIT, hebreiska universiteten och Caltech indikerar att det intensiva bombardemanget av meteoriter under denna period kan ha varit ansvarigt.
Detta meteoriska bombardemang skulle ha ägt rum ungefär samtidigt som månen bildades. Det intensiva bombardemanget av rymdrockar skulle ha sparkat upp gasmoln med tillräckligt med kraft för att permanent spruta ut atmosfären i rymden. Sådana påverkningar kan också ha sprängt andra planeter och till och med skalat bort atmosfären i Venus och Mars.
I själva verket fann forskarna att små planetesimaler kan vara mycket effektivare än stora påverkare - som Theia, vars kollision med Jorden tros ha bildat månen - för att driva atmosfärisk förlust. Baserat på deras beräkningar skulle det ta en enorm inverkan att sprida det mesta av atmosfären; men tillsammans, många små effekter skulle ha samma effekt.
Hilke Schlichting, biträdande professor vid MIT: s avdelning för jord-, atmosfär- och planetiska vetenskaper, säger att förstå drivkraften för jordens antika atmosfär kan hjälpa forskare att identifiera de tidiga planetära förhållandena som uppmuntrade livet att bildas.
"[Denna upptäckt] sätter ett mycket annorlunda initialt villkor för hur den tidiga jordens atmosfär troligen var", säger Schlichting. "Det ger oss en ny utgångspunkt för att försöka förstå vad som var atmosfärens sammansättning och vilka förutsättningar för att utveckla livet."
Dessutom undersökte gruppen hur mycket atmosfär som bibehölls och förlorades efter påverkan med jätte-, Mars-stora och större kroppar och med mindre stötar som mätte 25 kilometer eller mindre.
Vad de fann var att en kollision med en så stor massor som Mars skulle ha den nödvändiga effekten att generera en massiv en chockvåg genom jordens inre och potentiellt mata ut en betydande del av planetens atmosfär.
Men forskarna bestämde att en sådan påverkan inte troligtvis skulle ha inträffat, eftersom det skulle ha förvandlat jordens inre till en homogen uppslamning. Med tanke på utseendet på olika element som observerats i jordens inre verkar en sådan händelse inte ha hänt tidigare.
En serie mindre slagare, däremot, skulle generera en explosion av sortering och frigöra en skräp och skräp. Den största av dessa stötar skulle vara tillräckligt kraftfulla för att mata ut all gas från atmosfären omedelbart ovanför slagzonen. Endast en bråkdel av denna atmosfär skulle gå förlorad efter mindre påverkan, men teamet uppskattar att tiotusentals små påverkare kunde ha dragit av den.
Ett sådant scenario inträffade troligen för 4,5 miljarder år sedan under Hadean Eon. Denna period var en av galaktiskt kaos, eftersom hundratusentals rymdrockar kretsade runt solsystemet och många tros ha kolliderat med jorden.
"Visst, vi hade alla dessa mindre stötar då," säger Schlichting. "En liten påverkan kan inte bli av med det mesta av atmosfären, men kollektivt är de mycket effektivare än jättepåverkan och kan lätt släppa ut all jordens atmosfär."
Schlichting och hennes team insåg emellertid att summan av små effekter kan vara för effektiv för att driva atmosfäriska förluster. Andra forskare har uppmätt jordens atmosfäriska sammansättning jämfört med Venus och Mars; och jämfört med Venus har jordens ädla gaser tappats 100 gånger. Om dessa planeter hade utsatts för samma blitz av små påverkare i sin tidiga historia, skulle Venus inte ha någon atmosfär idag.
Hon och hennes kollegor gick tillbaka över scenariet med små effekter för att försöka redogöra för denna skillnad i planetatmosfärer. Baserat på ytterligare beräkningar identifierade teamet en intressant effekt: När en halv planetens atmosfär har gått förlorat blir det mycket lättare för små slagare att mata ut resten av gasen.
Forskarna beräknade att Venus 'atmosfär bara skulle behöva starta något mer massiv än jordens för att små påverkare ska erodera den första halvan av jordens atmosfär och samtidigt hålla Venus intakt. Från den punkten beskriver Schlichting fenomenet som en "runaway process - när du lyckas bli av med den första halvan, är den andra halvan ännu enklare."
Detta gav upphov till en annan viktig fråga: Vad ersatte så småningom jordens atmosfär? Vid ytterligare beräkningar fann Schlichting och hennes team samma påverkare som utkastad gas också kan ha infört nya gaser eller flyktiga ämnen.
”När en påverkan inträffar smälter den planetesimalt och dess flyktiga kan gå in i atmosfären,” säger Schlichting. "De kan inte bara utarmas, utan också fylla på en del av atmosfären."
Gruppen beräknade mängden flyktiga ämnen som kan frigöras av en sten med en viss sammansättning och massa och fann att en betydande del av atmosfären kan ha fyllts på genom påverkan av tiotusentals rymdrockar.
”Våra siffror är realistiska med tanke på vad vi vet om det flyktiga innehållet i de olika bergarter vi har,” konstaterar Schlichting.
Jay Melosh, professor i jord-, atmosfär- och planetvetenskaper vid Purdue University, säger Schlichtingens slutsats är en överraskande, eftersom de flesta forskare har antagit att jordens atmosfär utplånades av en enda jättepåverkan. Andra teorier, säger han, åberopar ett starkt flöde av ultraviolett strålning från solen, liksom en "ovanligt aktiv solvind."
"Hur jorden förlorade sin ursprungliga atmosfär har varit ett långvarigt problem, och det här uppsatsen går långt mot att lösa denna gåta," säger Melosh, som inte bidrog till forskningen. "Livet kom igång på jorden ungefär den här tiden, och så att besvara frågan om hur atmosfären förlorades berättar om vad som kan ha sparkat av livets ursprung."
Framöver hoppas Schlichting att undersöka närmare förhållandena bakom jordens tidiga bildning, inklusive samspelet mellan frigöring av flyktiga ämnen från små slagare och från jordens forntida magmahav.
"Vi vill ansluta dessa geofysiska processer för att bestämma vad som var den mest troliga sammansättningen av atmosfären vid tidpunkten noll, när jorden just bildades, och förhoppningsvis identifiera förutsättningar för livets utveckling," säger Schlichting.
Schlichting och hennes kollegor har publicerat sina resultat i februariutgåvan av tidskriften Icarus.
