科學家說，在澳大利亞遠古熔岩中發現的氣泡揭示了早期地球的大氣層可能只有今天的一半厚。
研究人員在一項新的研究中說，這些發現與數十年來認為地球早期大氣層很厚的觀點相矛盾，如果得到證實，將擴大能夠支援生命的行星型別列表。[照片：地球表面之下隱藏的液態海洋]
即便如此，其他地球科學家表示，這一說法肯定會引起爭議。
關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關當今塑造我們世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
“這裡有一個年輕的地球，擁有與今天完全不同的大氣層，但仍然充滿生機，”藍色大理石空間科學研究所主任、主要研究作者桑喬伊·索姆在給《生命科學》的一封電子郵件中說。大約在27億年前，地球自轉速度更快，新形成的月球引起的潮汐比今天的地球經歷的潮汐高得多，索姆說。它也可能暴露在更多的紫外線下，因為當時還沒有臭氧層。“[這]使得早期地球成為我們擁有的最接近可居住系外行星[太陽系外行星]的東西，”索姆補充道。
保持地球溫暖
這項研究是解決“微弱太陽悖論”的眾多嘗試之一，該悖論最早由天文學家卡爾·薩根和喬治·穆倫在1970年代提出。根據這個悖論，太陽演化的天體物理模型表明，我們的恆星在數十億年前應該更暗淡——事實上，如此暗淡，以至於地球應該被冰川覆蓋。 有某種東西使地球保持溫暖，最近的研究表明，富含較高水平水蒸氣、二氧化碳、甲烷和其他溫室氣體的厚氮氣大氣層可能是罪魁禍首。[照片：地球上最古老的生物]
索姆和華盛頓大學地球與空間科學教授大衛·卡特林正在提出一個截然不同的想法：27億年前，地球擁有稀薄的大氣層，該大氣層仍然主要由氮氣組成，其壓力最多隻有地球當前壓力的一半——相當於海平面以上約17,000英尺（5,180米）處的壓力。
稀薄的大氣層通常意味著地球整體更冷，研究人員說，因為氣體捕獲熱量，更多的氣體捕獲更多的熱量。但索姆指出，較低的壓力實際上可能意味著更高濃度的溫室氣體，因為由於大氣稀薄，早期地球上的水會更容易沸騰。
索姆說：“這將增加空氣中水蒸氣的量，水蒸氣是最強的溫室氣體。” 研究人員認為，所有這些水蒸氣，以及更多的二氧化碳和甲烷，將使地球保持相對溫暖。
遠古熔岩氣泡
早期地球上存在如此稀薄的空氣層的證據來自澳大利亞的遠古岩石。索姆和他的團隊檢查了岩石中捕獲的氣泡。熔岩（或任何其他液體）中的氣泡大小取決於周圍空氣的壓力。 因此，測量氣泡的體積可以告訴科學家液體（在本例中為熔岩）凝固時的氣壓是多少。索姆和他的同事發現的氣泡大小表明，27億年前的大氣層更稀薄。
熔岩還具有“熔岩腳趾”——小的、葉狀的形狀——底部有玻璃狀碎片。 研究人員說，這些通常表明熔融岩石流入潮溼的海灘礫石中——這是它們在海平面形成的有力證據。
下一個要回答的問題是空氣是如何變得如此稀薄的。 科學家說，地球剛剛形成後，其大氣層仍然比今天厚。 這是因為氮氣來自多個來源，包括大氣本身以及地殼和地幔，地殼和地幔剛剛被形成月球的撞擊加熱，並將釋放大量氣體。（來自所有三個來源的氮氣總量在一段時間內大致保持不變——不同之處在於它所處的形式。）
為了創造這種稀薄的大氣層，必須將氮氣從空氣中取出並放入其他地方，將其鎖定在化合物中。 “我們認為生物學做到了這一點，”索姆說。
研究人員說，地球上出現的細菌生命形式會從空氣中提取氮氣，並將其與其他元素結合以製造新的化合物，例如銨。 生命形式現在也這樣做——除了空氣中的氧氣，細菌可以將氮氣返回大氣，從而形成現代氮迴圈的一部分。
索姆說，這些化合物，如銨（NH4 離子），會沉積到新生海洋的粘土中，並隨著構造板塊在彼此下方滑動而被帶回地球，並帶走它們的氮。
大氣層是如何再次變厚的？
在大氧化事件之後，大約發生在25億年前，單細胞生物開始排放氧氣作為廢物。
索姆提出了兩種可能的機制，可以解釋當時將氮氣作為氣體重新釋放回空氣中的原因。 首先，呼吸氧氣的生物會與氧氣發生反應釋放氮氣。（這種情況今天也在發生，這個過程稱為反硝化作用。） 另一種可能性是，作為銨進入地球地幔的氮氣再次分解為氮氣（N2），從而使火山在約3.3億年的時間裡向大氣中釋放更多的氮氣。
因此，索姆說，當生命在地球上出現時，顯然可以在比任何人想象的更廣泛的氣壓範圍內這樣做。 這項研究還指出，地球上的氣壓可能比科學家想象的在一段時間內波動得更大。 這也意味著，如果生命能夠以一半或更少的大氣層在這裡生存，那麼它也可以在其他地方生存。
其他行星上的生命
蘇格蘭聖安德魯斯大學地質學助理教授薩米·米哈伊爾沒有參與這項研究，他說這項工作將引起爭議。“這令人興奮，因為結果似乎很可靠，”米哈伊爾告訴《生命科學》。 他也做過關於地球早期大氣層的研究，這些研究的結果也指向早期地球上的稀薄大氣層。 “如果他們是對的，我們將不得不重新思考我們對地球演化的瞭解，”他說。[關於地球生命起源的7個理論]
米哈伊爾說，這項工作擴大了科學家認為生命可能存在的世界型別。
他說：“當我們觀察[系外行星]系統中的類地行星時，我們可能會發現一些具有像這樣的稀薄大氣層的行星。” 他補充說：“這意味著它們可能會在未來數十億年內演變成地球。”
這項研究於5月9日在《自然-地球科學》雜誌線上詳細介紹。
版權所有 2016 SPACE.com，Purch 公司。保留所有權利。未經許可，不得釋出、廣播、改寫或重新分發本材料。