Как столкновения астероидов и комет задержали эволюцию атмосферы

Исследование показало, что столкновения, остановившие рост кислорода на планете, встречаются чаще, чем считалось ранее.

Между 2,5 и 4 миллиардами лет назад, время, известное как архейский эон, погоду на Земле часто можно описать как облачную с возможностью появления астероида.

В то время столкновение с Землей астероидов или комет было обычным делом. Фактически, самый большой из них, более шести миль в ширину, изменил химию ранней атмосферы планеты. Хотя все это было общепризнано геологами, не совсем понятно, как часто эти большие астероиды будут сталкиваться и как эффекты от столкновений повлияли на атмосферу, особенно на уровень кислорода. Команда исследователей теперь думает, что у них есть ответы на некоторые вопросы.

В новом исследовании Надя Драпон, доцент кафедры наук о Земле и планетах Гарвардского университета, была частью группы, которая проанализировала остатки древних астероидов и смоделировала последствия их столкновений, чтобы показать, что удары происходили чаще, чем предполагалось ранее, и могло быть отложено, когда на планете начал накапливаться кислород. Новые модели могут помочь ученым более точно понять, когда планета начала свой путь к Земле, которую мы знаем сегодня.

«Свободный кислород в атмосфере имеет решающее значение для любого организма, который использует дыхание для производства энергии», — сказал Драпон. «Если бы не скопление кислорода в атмосфере, нас, вероятно, не существовало бы».

Команда под руководством Юго-Западного исследовательского института обновила модели планетных бомбардировок, чтобы понять, как сильные удары, подобные показанному здесь, повлияли на уровень кислорода в атмосфере Земли в архейский период, 2,5–4 миллиарда лет назад. Предоставлено: SwRI / Симоне Марчи.

Работа описана в естественные науки о Земле Его возглавил Саймон Марчи, ученый из Юго-западного исследовательского института в Боулдере, штат Колорадо.

Исследователи обнаружили, что современные модели бомбардировки планет недооценивают частоту столкновений астероидов и комет с Землей. Новая высокая частота столкновений указывает на то, что столкновения сталкиваются с планетой примерно каждые 15 миллионов лет, что примерно в 10 раз выше, чем у нынешних моделей.

Ученые поняли это после анализа записей того, что выглядело как обычные обломки горных пород. На самом деле это древние свидетельства, известные как ударные шары, которые образовывались в огненных столкновениях каждый раз, когда большие астероиды или кометы сталкивались с планетой. В результате энергия столкновения расплавила скалистый материал в земной коре и испарила его, выпустив гигантский шлейф. Маленькие капельки расплавленной породы в этом облаке конденсируются и затвердевают, падая обратно на землю в виде частиц размером с песок, которые оседают обратно на земную кору. Эти древние следы трудно найти, потому что они образуют слои в скале, обычно не больше дюйма или около того.

«Вы в основном ходите на длительные прогулки и смотрите на все камни, которые можете найти, потому что частицы удара настолько малы», — сказал Драпон. «Я действительно так легко скучал по ним».

Исследование, проведенное SwRI, обновило модели бомбардировки, основанные на крошечных стеклянных частицах, известных как ударные сферы, которые заполняют несколько тонких отдельных слоев земной коры, возраст которых составляет от 2,4 до 3,5 миллиардов лет. Слои глобул — вроде того, что видно на этом 5-сантиметровом экземпляре возрастом 2,6 миллиарда лет из Австралии — являются признаками древних столкновений. Кредит: Предоставлено UCLA / Скотт Хаслер и Оберлин / Брюс Симонсон

Но у ученых, таких как Драпон, были свои успехи. «За последние два года были обнаружены доказательства ряда дополнительных эффектов, которые не были обнаружены ранее», — сказала она.

Эти новые шаровидные слои увеличили общее количество известных столкновений на ранней Земле. Это позволило команде Юго-Западного исследовательского института обновить свои модели бомбардировок и обнаружить, что частота столкновений была занижена.

Затем исследователи смоделировали, как все эти эффекты могут повлиять на атмосферу. По сути, они обнаружили, что кумулятивные эффекты столкновения метеоритов с объектами размером более шести миль могли создать сток кислорода, который поглотил большую часть кислорода из атмосферы.

Результаты согласуются с геологическими данными, которые показывают, что уровни кислорода в атмосфере менялись, но оставались относительно низкими в ранний археологический период. Так было примерно 2,4 миллиарда лет назад, в конце этого периода времени, когда бомбардировки замедлились. Затем на Земле произошел серьезный сдвиг в химии поверхности, вызванный повышением уровня кислорода, известным как Великое событие окисления.

«Со временем столкновения становились все менее частыми и слишком маленькими, чтобы иметь возможность значительно изменить уровни кислорода после GOE», — говорится в заявлении Марки. «Земля была на пути к тому, чтобы стать нынешней планетой».

Драпон сказал, что следующие шаги в проекте включают проверку их работы по моделированию, чтобы увидеть, что они могут спроектировать в самих породах.

«Можем ли мы на самом деле проследить по каменным пластинам, как кислород поглощался из атмосферы?» — спросил Драпун.

Ссылка: «Позднее и переменное атмосферное окисление из-за высокой частоты столкновений на Земле» С. Марчи, Н. Драпон, Т. Шульц, Л. Шефер, Д. Несворни, У. Ф. Боттке, К. Коберл и Т. Лайонс, октябрь 21 2021, естественные науки о Земле.
DOI: 10.1038 / s41561-021-00835-9