Modeller från solens utveckling indikerar att det var så mycket som 30 procent mindre ljus under jordens tidiga historia än det är nu. En ny studie och en titt på Saturns måne Titan har gett ledtrådar för hur solen kunde ha hållit den tidiga jorden varm nog. Forskare säger att en tjock organisk dis som hyllade den tidiga jorden för flera miljarder år sedan kan ha liknat den dis som täcker Titan och skulle ha skyddat det framväxande livet på planeten från de skadliga effekterna av ultraviolett strålning, medan de också värmer planeten.
Eric Wolf från University of Colorado-Boulder och hans team tror att den organiska disen främst består av metan- och kväve-kemiska biprodukter som skapats genom reaktioner med ljus. Om partiklarna klumpades samman i större, komplexa strukturer, ett arrangemang känt som en fraktalstorleksfördelning, skulle de minsta partiklarna interagera med kortvågstrålningen, medan de större strukturerna gjorda av de mindre partiklarna skulle påverka längre våglängder. Inte bara skulle diset ha skyddat den tidiga jorden från UV-ljus, utan det hade tillåtit att gaser som ammoniak byggdes upp, orsakat växthusuppvärmning och kanske hjälpt till att förhindra att planeten fryser över.
Andra forskare inklusive Carl Sagan har föreslagit möjliga lösningar på denna "Early Faint Sun" -paradox, som i allmänhet involverade atmosfärer med kraftfulla växthusgaser som kunde ha hjälpt till att isolera jorden. Men även om dessa gaser skulle ha blockerat strålningen, hade den inte värmt jorden tillräckligt för att livet skulle kunna bildas.
"Eftersom klimatmodeller visar att tidiga jorden inte kunde ha värmts upp av atmosfärisk koldioxid ensam på grund av dess låga nivåer, måste andra växthusgaser ha varit inblandade," sade Wolf. "Vi tror att den mest logiska förklaringen är metan, som kan ha pumpats ut i atmosfären av tidigt liv som metaboliserade den."
Lab-simuleringar hjälpte forskare att dra slutsatsen att jordsnöden sannolikt bestod av oregelbundna "kedjor" av aggregerade partiklar med större geometriska storlekar, liknande formen på aerosoler som tros fylla Titans tjocka atmosfär. Ankomsten av rymdskeppet Cassini till Saturnus 2004 har gjort det möjligt för forskare att studera Titan, den enda månen i solsystemet med både en tät atmosfär och vätska på ytan.
Under den arkeiska perioden fanns det inget ozonskikt i jordens atmosfär för att skydda livet på planeten, säger Wolf. "Den UV-skärmande metanhazen över tidiga jorden föreslår vi inte bara skulle ha skyddat jordens yta, det skulle ha skyddat de atmosfäriska gaserna under den - inklusive den kraftiga växthusgasen, ammoniak - som skulle ha spelat en viktig roll för att hålla den tidiga jorden värma."
Forskarna uppskattade att det fanns ungefär 100 miljoner ton dis produceras årligen i atmosfären på den tidiga jorden under denna period. "Om detta var fallet, skulle en tidig jordatmosfär bokstavligen ha droppat organiskt material in i haven, vilket gav manna från himlen för det tidigaste livet för att upprätthålla sig själv," sa teammedlem Brian Toon, också från CU-Boulder.
"Metan är nyckeln till att göra denna klimatmodell kör, så ett av våra mål nu är att fastställa var och hur den har sitt ursprung," sade Toon. Om jordens tidigaste organismer inte producerade metan, kan den ha genererats genom frigöring av gaser under vulkanutbrott antingen före eller efter det att livet först uppstod - en hypotes som kommer att kräva ytterligare studier.
Denna nya studie kommer antagligen att antända intresset för ett kontroversiellt experiment av forskarna Stanley Miller och Harold Urey på 1950-talet där metan, ammoniak, kväve och vatten kombinerades i ett provrör. Efter att Miller och Urey ledde en elektrisk ström genom blandningen för att simulera effekterna av blixtar eller kraftfull UV-strålning var resultatet skapandet av en liten pool av aminosyror - livets byggstenar.
"Vi har fortfarande mycket forskning att göra för att förfina vår nya syn på den tidiga jorden," sade Wolf. "Men vi tror att detta papper löser ett antal problem förknippade med dis som funnits över tidiga jorden och som sannolikt spelade en roll i att utlösa eller åtminstone stödja det tidigaste livet på planeten."
Källor: CU-Boulder, Science
