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小的影响可能会消除大部分地球的原始气氛

新近发表的一项研究表明,在月球形成的时候,小型太空岩石或小行星可能已经轰击地球,以足够的力量踢出气体云层,以永久地将小部分大气喷射到太空中。 / EM>

今天的气氛很可能缺少其原始自我的痕迹:地球化学证据表明,地球大气层自40多亿年前形成以来,至少可能已经完全消失两次。然而,目前还不清楚哪些行星际力量可能导致如此巨大的损失。

现在,麻省理工学院,希伯莱大学和加州理工学院的研究人员已经着手处理一个可能的情况:小型太空岩石或小行星的无情闪电可能在月球形成的时候轰击地球,用足够的力量踢足够的气体来永久地将小部分大气喷射到太空中。

研究人员计算,成千上万的这种小的影响可以有效地抛弃地球的整个原始气氛。这种影响也可能会炸毁其他行星,甚至剥离金星和火星的气氛。

事实上,研究人员发现,在驾驶大气层损失方面,小型飞行器可能比巨型冲击器更有效。根据他们的计算,这将会产生巨大的影响 - 几乎和地球一样巨大 - 以分散大部分的大气。但是放在一起,许多小的影响会产生相同的效果,仅占质量的很小一部分。

麻省理工学院地球,大气和行星科学系助理教授Hilke Schlichting说,了解地球古老大气的驱动因素可能有助于科学家确定鼓励生命形成的早期行星状况。

“[这一发现]为早期地球大气层最可能出现的情况设定了一个非常不同的初始条件,”Schlichting说。 “这给了我们一个新的起点,试图了解大气的组成,以及发展生活的条件是什么。”

Schlichting和她的同事们在伊卡洛斯杂志上发表了他们的结果。

有效的弹出

该小组研究了在与巨型火星大小的大型机体和小型冲击器相距25千米或更短距离的撞击之后保留和丢失了多少大气 - 与今天在小行星带周围啸声相当的太空岩石。

该团队进行数值分析,计算给定冲击质量在特定速度下产生的力,以及由此产生的大气气体损失。研究人员发现,与撞击体一样巨大的碰撞体会在地球内部产生冲击波,引发明显的地面运动 - 类似于地球周围同时发生的巨大地震 - 其作用力会波及到大气中,这一过程如果不是全部的话,这个星球的大气层可能会排出一大部分。

然而,如果发生这种巨大的碰撞,它也应该融化地球上的一切,将其内部变成均匀的泥浆。考虑到今天地球深处的氦-3这样的惰性气体的多样性,研究人员认为,这种巨大的核心熔化影响不太可能发生。

相反,该团队计算了更小的撞击器对地球大气层的影响。这些太空岩石受到冲击后会产生各种各样的爆炸,释放出大量的碎片和气体。这些冲击器中最大的冲击器足够强大,足以从紧靠冲击切平面之上的大气中排出所有气体 - 垂直于冲击器轨迹的线。在影响较小的情况下,只有一小部分这种气氛会丧失。

研究小组估计,为了完全排除地球的所有大气,地球必须遭受成千上万个小型撞击器的轰炸 - 这种情况可能在45亿年前发生,当时形成月球。这个时期是银河系混乱之一,因为成千上万的太空岩石绕太阳系旋转,经常碰撞形成行星,月球和其他物体。

“当然,我们当时确实拥有所有这些更小的冲击器,”Schlichting说。 “一个小小的影响无法摆脱大部分的气氛,但总体而言,它们比巨大的影响更有效率,并且可以轻易地排出地球的所有气氛。”

失控效应

然而,Schlichting意识到,小冲击的总和效应可能在驱动大气损失方面效率太高。其他科学家测量了与金星和火星相比的地球大气成分。这些测量结果显示,尽管每个行星大气具有类似的惰性气体丰度模式,但金星的预算与球粒陨石相似 - 石质陨石是早期太阳系原始剩余物。与金星相比,地球的惰性气体预算已经耗尽100倍。

Schlichting意识到,如果两颗行星都暴露在相同的小冲击波冲击下,那么金星的气氛应该同样被消耗殆尽。她和她的同事们回过头来观察小型撞击者的情况,更详细地研究了大气损失的影响,试图解释两颗行星之间大气层的差异。

基于进一步的计算,该团队发现了一个有趣的效果:一旦行星的大气层失去了一半,小型冲击器就会更容易地排出剩余的气体。研究人员计算出,金星的气氛只会比地球稍微大一些,以便小型冲击器侵蚀地球大气的前半部分,同时保持金星完好无损。从那时起,Schlichting将这种现象描述为“失控的过程 - 一旦你设法摆脱了上半场,下半场就更容易了。”

时间零点

在小组研究过程中,出现了一个不可避免的问题:最终取代地球大气层的是什么?经过进一步计算,Schlichting和她的团队发现了相同的撞击器,喷出的气体也可能引入了新气体或挥发物。

Schlichting说:“当碰撞发生时,它会使微星融化,其挥发物会进入大气。” “他们不仅可以消耗,而且可以补充部分气氛。”

该小组计算了可能由具有特定组成和质量的岩石释放的挥发物的量,并发现大部分大气可能已经被数万个空间岩石的影响补充。

“我们的数据是现实的,因为我们知道我们拥有的不同岩石的挥发性成分,”Schlichting指出。

普渡大学地球,大气和行星科学教授Jay Melosh表示,Schlichting的结论令人惊讶,因为大多数科学家认为地球大气层被单一的巨大冲击抹杀。他说,其他的理论引用了来自太阳的强大紫外线辐射,以及“异常活跃的太阳风”。

“地球如何失去其原始的气氛一直是一个长期存在的问题,而这篇论文对解决这个谜团有很长的路要走,”对这项研究没有贡献的Melosh说。 “这一次生活在地球上开始了,所以回答关于气氛如何失落的问题告诉我们什么可能会引发生命的起源。”

展望未来,Schlichting希望更仔细地研究地球早期形成的条件,包括从小型冲击器释放挥发物和从地球的古老岩浆海洋释放的相互作用。

“我们希望将这些地球物理过程联系起来,以确定当地球刚刚形成时,零时刻大气中最可能的组成成分是什么,并希望能够确定生命演化的条件,”Schlichting说。

出版物:Hilke E. Schlichting等人,“行星形成过程中的大气质量损失:星子撞击的重要性”,伊卡洛斯,第247卷,2015年2月,第81-94页; DOI:10.1016 / j.icarus.2014.09.053

资料来源:麻省理工学院新闻社Jennifer Chu

图片:美国宇航局