Vụ va chạm thảm khốc với hành tinh cỡ sao Hỏa
Cách đây rất lâu, khi hệ mặt trời hình thành các hành tinh mà chúng ta biết ngày nay, trái đất về cơ bản là một quả cầu dung nham nóng chảy khổng lồ.
Các nhà khoa học cho rằng, khoảng 4,5 tỉ năm trước, trái đất đã va chạm với một hành tinh có kích thước tương tự sao Hỏa. Năng lượng từ vụ va chạm thảm khốc này đã thổi bay bầu khí quyển khi đó của trái đất vào không gian vũ trụ, tạo ra mặt trăng và khiến toàn bộ hành tinh tan chảy.
Theo thời gian, đại dương magma trên toàn thế giới này giải phóng các khí như nitơ, hydro, carbon và ôxy, tạo ra một bầu khí quyển mới, phiên bản lâu đời nhất của bầu khí quyển trái đất ngày nay.
Nhưng chính xác thì bầu không khí ban đầu đó như thế nào? Và tại sao bầu khí quyển của trái đất hiện nay lại rất khác biệt so với bầu khí quyển của các hành tinh lân cận trong vũ trụ? Những câu hỏi này khiến nhiều thế hệ nhà khoa học bối rối.
Giống sao Hỏa và sao Kim
Hiện nay, nhóm các nhà khoa học quốc tế khám phá nguồn gốc của bầu khí quyển trái đất phát hiện ra bầu khí quyển của trái đất từng rất giống bầu khí quyển phát hiện trên sao Kim và sao Hỏa ngày nay. Phát hiện này được công bố gần đây trên tạp chí Science Advances.
Theo đó, manh mối về bầu khí quyển sơ khai của trái đất bị chôn vùi trong những tảng đá lâu đời nhất của hành tinh này. Nhóm nghiên cứu do Paolo Sossi - nghiên cứu viên cấp cao tại Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich và Trung tâm Năng lực Nghiên cứu Quốc gia (NCCR) PlanetS - dẫn đầu, đã bắt đầu giải mã những bí mật này.
Dù các nhà nghiên cứu không có cách nào để đo trực tiếp bầu khí quyển cổ xưa của trái đất, nhưng đã tìm ra cách để đo thành phần chính xác của khí quyển khi những tảng đá lâu đời nhất của trái đất được hình thành.
"Bốn tỉ rưỡi năm trước, magma - đá nóng chảy nằm bên dưới vỏ trái đất - liên tục trao đổi khí với bầu khí quyển bên trên. Không khí và magma ảnh hưởng lẫn nhau. Vì vậy, bạn có thể tìm hiểu về điều này thông qua nhau" - nhà nghiên cứu Sossi giải thích.
Khi magma nguội đi và biến thành đá, nó sẽ giữ lại thông tin về bầu khí quyển vào thời điểm đó. Magma rất giàu sắt, và trạng thái ôxy hóa của sắt trong đá cho các nhà khoa học biết bầu khí quyển sơ khai của trái đất như thế nào và lượng ôxy sẵn có vào thời điểm đó. Khi có nhiều ôxy hơn trong khí quyển, sắt liên kết với ôxy theo tỉ lệ 2: 3, khí quyển giàu nitơ và carbon dioxide. Khi có ít ôxy hơn, tỉ lệ là 1: 1, bầu khí quyển chứa nhiều mêtan và amoniac hơn.
Tuy nhiên, để hiểu được thành phần chính xác của bầu khí quyển sơ khai của trái đất, về cơ bản, các nhà khoa học cần tạo ra một phiên bản thu nhỏ của trái đất sơ khai cùng bầu khí quyển của trái đất sơ khai trong phòng thí nghiệm.
Do đó, các nhà nghiên cứu tập hợp các thành phần nguyên tố của lớp phủ sơ khai của trái đất được các nhà địa chất học gọi là peridotit, đốt nóng nó bằng tia laser cho đến khi lớp phủ này trở thành dung nham nóng chảy. Sau đó, quả cầu dung nham nóng chảy này được đưa vào trong một dòng khí như trong bầu khí quyển sơ khai của trái đất.
Khi dung nham nguội đi, quả cầu vẫn còn sót lại đã ghi lại phản ứng hóa học giữa dung nham và bầu khí quyển trong lớp sắt mà nó chứa đựng.
Các nhà khoa học đã lặp lại thí nghiệm nhiều lần bằng cách sử dụng các thành phần hóa học khác nhau của các loại khí có thể tồn tại trong khí quyển sơ khai, sau đó nghiên cứu trạng thái ôxy hóa sắt trong các mẫu, tìm kiếm những chất gần giống nhất với những chất được tìm thấy trong đá lớp phủ của trái đất. So sánh trạng thái ôxy hóa sắt trong đá tự nhiên với đá hình thành trong phòng thí nghiệm đã cho các nhà khoa học biết được hỗn hợp khí nào phù hợp với bầu khí quyển sơ khai của trái đất.
“Chúng tôi phát hiện ra rằng bầu khí quyển mà chúng tôi tính toán đã có mặt trên trái đất hàng tỉ năm trước có thành phần tương tự như những gì chúng ta tìm thấy trên sao Kim và sao Hỏa ngày nay” - ông Sossi nói.
Câu hỏi về nguồn gốc sự sống trên trái đất
Những mẫu thí nghiệm được thực hiện tại Advanced Photon Source của cơ sở nghiên cứu Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của Mỹ không chỉ cung cấp cách đo thành phần khí quyển cổ xưa của trái đất mà còn đưa ra một số liên kết địa chất với một số lý thuyết phổ biến về nguồn gốc sự sống.
Những năm 1950, Stanley Miller tiến hành thí nghiệm đột phá tại Đại học Chicago cho thấy các axit amin - các khối cấu tạo của sự sống - sẽ hình thành trong một môi trường có nước và không khí lỏng giàu mêtan và amoniac khi được kích hoạt bằng điện để mô phỏng tia sét. Vào thời điểm đó, đây là những điều kiện được cho là tồn tại trên trái đất sơ khai.
Tuy nhiên, nếu bầu khí quyển sơ khai của trái đất giàu carbon dioxide và nitơ như nghiên cứu mới này chỉ ra thì việc hình thành các axit amin sẽ khó khăn hơn.
Những thí nghiệm này cũng giúp trả lời các câu hỏi tại sao bầu khí quyển hiện tại của trái đất lại rất khác so với các hành tinh lân cận trong hệ mặt trời. Trên trái đất, nước ở dạng lỏng được hình thành từ bầu khí quyển tạo ra từ magma, kéo khí carbon dioxide ra khỏi không khí và vào các đại dương mới hình thành.
Nhà nghiên cứu Sossi nói rằng, bởi vì cả ba hành tinh - trái đất, sao Kim và sao Hỏa - đều được hình thành từ những vật liệu giống nhau, nên tác động tổng hợp của cả khối lượng lớn của trái đất và khoảng cách cụ thể của nó so với mặt trời đã cho phép trái đất giữ lại nước ở thể lỏng trên bề mặt, điều này sau đó dẫn tới giảm lượng khí carbon dioxide. Điều này không xảy ra trên sao Kim vì nó quá nóng hoặc trên sao Hỏa vì quá lạnh.
