Há muito tempo, quando nosso sistema solar estava se transformando nos planetas que conhecemos hoje, a Terra era essencialmente uma bola gigante de lava derretida. Aproximadamente 4,5 bilhões de anos atrás, os cientistas acreditam que a Terra colidiu com um planeta do tamanho de Marte. A energia dessa colisão catastrófica explodiu a atmosfera existente da Terra no espaço, criou nossa Lua e fez com que todo o planeta derretesse.
Com o tempo, esse oceano de magma mundial liberou gases como nitrogênio, hidrogênio, carbono e oxigênio, criando uma nova atmosfera, a versão mais antiga da que temos hoje. Mas como era exatamente aquela atmosfera primitiva? E por que nossa atmosfera agora é tão diferente daquela de nossos vizinhos cósmicos? Essas perguntas deixaram os cientistas perplexos por gerações, mas as respostas nos escaparam até recentemente.
Agora, uma equipe internacional de cientistas explorando as origens da atmosfera da Terra descobriu que a nossa já foi muito semelhante à atmosfera encontrada em Vênus e Marte hoje. Suas descobertas, publicadas recentemente na revista Science Advances , têm implicações que vão muito além da composição química da atmosfera primitiva da Terra, pois os resultados abrem buracos em uma teoria popular da evolução da própria vida.
Acontece que as pistas da atmosfera primitiva da Terra foram enterradas em nossas rochas mais antigas. O que foi necessário para descobri-los foi uma fornalha a laser, uma bola de lava levitante e a Advanced Photon Source (APS), uma instalação do Departamento de Energia dos EUA (DOE) para usuários do Office of Science no Laboratório Nacional de Argonne do DOE.
A equipe de pesquisa, liderada por Paolo Sossi, agora pesquisador sênior da Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich e do Centro Nacional de Competência em Pesquisa (NCCR) PlanetS, decidiu desvendar esses segredos. Embora eles não tivessem como medir a atmosfera antiga da Terra diretamente, eles encontraram uma maneira de medir a composição exata da atmosfera quando as rochas mais antigas da Terra foram formadas.
"Quatro bilhões e meio de anos atrás, o magma - a rocha derretida que agora está sob a crosta terrestre - trocava gases constantemente com a atmosfera subjacente", explicou Sossi. "O ar e o magma influenciaram um ao outro. Então, você pode aprender um com o outro".
No entanto, para entender a composição exata da atmosfera primitiva da Terra, os cientistas precisaram essencialmente criar uma versão em miniatura da Terra primitiva (e sua atmosfera) no laboratório. Para fazer isso, eles reuniram os componentes elementares do manto primitivo da Terra (conhecido pelos geólogos em peridotito), aqueceram-no com um laser até se tornar lava derretida e então levitaram esta bola de lava derretida em um fluxo de gás que representava o atmosfera.
Quando a lava esfriou, a bola de vidro do tamanho de um mármore que permaneceu prendeu um registro da reação química entre a lava e a atmosfera no ferro que ela continha. Os avanços tecnológicos que tornaram esse experimento possível só surgiram recentemente. Para derreter o peridotito, você precisa deixá-lo muito, muito quente - quase 2.000 ° C - e temperá-lo rapidamente para preservar a química em altas temperaturas. A capacidade de fazer isso foi possível com o desenvolvimento de uma nova técnica de forno a laser.
Os cientistas repetiram o experimento várias vezes usando várias composições químicas de gases que poderiam ter existido na atmosfera primitiva, então estudaram o estado de oxidação do ferro nas amostras, procurando por aquelas que mais se assemelhavam às encontradas nas rochas do manto da Terra. A comparação do estado de oxidação do ferro em rochas naturais com os formados em laboratório deu aos cientistas uma ideia de qual de suas misturas de gás combinava com a atmosfera primitiva da Terra.
"Descobrimos que a atmosfera que calculamos estar presente na Terra bilhões de anos atrás era semelhante em composição à que encontramos em Vênus e Marte hoje", disse Sossi, que sabia que tinha a composição atmosférica correta quando o estado de oxidação do ferro em sua amostra correspondeu às encontradas em rochas antigas do manto da Terra. "Quando você tem uma atmosfera produzida a partir do magma no estado de oxidação correto, você obtém uma composta de cerca de 97% de dióxido de carbono e 3% de nitrogênio quando esfria, a mesma proporção encontrada hoje em Vênus e Marte".
Durante anos, geólogos recorreram à APS para estudar a composição das rochas e o estado de oxidação do ferro nelas contido. Uma linha de luz em particular no APS gerenciada por cientistas da Universidade de Chicago, GeoSoilEnviroCARS (13-ID-E), tornou-se líder mundial neste tipo de pesquisa e análise. Quando chegou a hora de os cientistas terem suas amostras analisadas, havia um lugar óbvio para onde ir.
"O APS nos dá a capacidade de fazer feixes muito pequenos com os quais podemos fazer esse tipo de análise", disse Matt Newville, pesquisador sênior e cientista de linha de luz da APS e autor do artigo. A linha de luz na qual ele trabalha pode focar seus feixes em até 1 mícron de diâmetro - cerca de 50 vezes menor que a largura de um cabelo humano - dando aos cientistas a capacidade de fazer medições muito precisas e precisas de suas amostras.
"Fazemos esse tipo de análise em rochas o tempo todo, mas essas foram amostras incrivelmente bem criadas", disse Newville. "O fato de eles terem conseguido essas amostras que eram muito boas em simular o efeito da atmosfera inicial é realmente incrível".
Essas amostras não apenas fornecem uma maneira de medir a composição da antiga atmosfera da Terra, mas também impõem algumas restrições geológicas a uma teoria popular da origem da vida. Na década de 1950, Stanley Miller conduziu um experimento inovador na Universidade de Chicago mostrando que os aminoácidos - os blocos de construção da vida - se formariam em um ambiente com água líquida e ar rico em metano e amônia quando eletrocutados para simular raios. Na época, essas eram as condições que se acreditava existirem na Terra primitiva.
No entanto, se a atmosfera primitiva da Terra fosse rica em dióxido de carbono e nitrogênio, como indica essa nova pesquisa, seria mais difícil a formação desses aminoácidos.
Esses experimentos também ajudaram a responder a perguntas sobre por que a atmosfera atual da Terra é tão diferente de nossos planetas vizinhos. Na Terra, a água líquida formou-se a partir dessa atmosfera formada por magma, puxando o dióxido de carbono do ar para os oceanos em formação. Sossi disse que, como todos os três planetas - Terra, Vênus e Marte - foram formados de materiais semelhantes, foram os efeitos combinados da grande massa da Terra e sua distância particular do Sol que permitiram reter água líquida em sua superfície, o que então causou uma redução de dióxido de carbono. Ao passo que esse não era o caso em Vênus porque estava muito quente, ou em Marte porque estava muito frio.
Agora que Sossi descobriu que tipo de atmosfera se forma a partir de um magma-Terra, ele está voltando seus olhos para as estrelas. Usando uma modificação dessa técnica experimental, ele espera encontrar uma maneira de medir a composição atmosférica usando infravermelho para que um dia possamos usar satélites para estudar mundos de magma que podem realmente existir em outros sistemas solares hoje.
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