چگونه جو زمین تنفس پذیر شد؟

زمین هر روز حدود 90 تن گاز (عمدتاً هیدروژن و هلیوم) به فضا منتشر می کند. این مقدار در مقایسه با جرم جو ناچیز است، بنابراین جای نگرانی نیست.

اما قبل از رویداد بزرگ اکسیژن، از دست دادن هیدروژن و فرار آن به فضا به حدی بود که باعث عدم تعادل بین ایزوتوپ‌های هیدروژن می‌شد، زیرا هیدروژن راحت‌تر از دوتریوم، ایزوتوپ سنگین‌تر آن، فرار می‌کند. این عدم تعادل به این معنی است که زمین یک چهارم آب اقیانوس هایش را از دست داده است. پروفسور Rajdeep Dasgupta از دانشگاه رایس توضیح می دهد: “در ابتدا گوشته حاوی آب بیشتری بود و این آب به عنوان هیدروژن از گوشته خارج شد.”

از دست دادن هیدروژن در آب، اما حفظ اکسیژن، زمین را به سمت یک محیط اکسید کننده سوق داد. همین پدیده در مریخ نیز مشاهده می شود. مریخ اکسیژن کافی برای ماندن در مریخ پس از خروج هیدروژن از آب های آن به فضا دارد و در طی فرآیند اکسیداسیون سطح آن را قرمز می کند.

روی زمین، با زمین شناسی فعال تر، فرصت های بیشتری برای واکنش با اکسیژن وجود داشت. داسگوپتا توضیح می دهد: «انباشته شدن اکسیژن در اتمسفر نه تنها به نحوه تولید اکسیژن بستگی دارد. تخریب اکسیژن نیز مهم است.

جو اولیه زمین سرشار از گازهای مصرف کننده اکسیژن مانند هیدروژن، مونوکسید کربن، سولفید هیدروژن، دی اکسید گوگرد و متان بود. این گازها دائماً توسط آتشفشان ها و همچنین در واکنش بین آب دریا و گدازه و همچنین میکروب ها آزاد می شدند. هیدروژنی که از واکنش بین آب دریا و گدازه تولید می شود، سالانه بیش از 70 میلیون تن اکسیژن مصرف می کند. اقیانوس ها نیز پر از آهن محلول بودند که با هر اکسیژن محلول واکنش نشان می داد و مصرف می کرد.

این گازها در ترکیب، به محض تشکیل اکسیژن، اکسیژن مصرف می کنند. میلز می‌گوید: «برای اینکه اتمسفر اکسیژن‌دار شود، تنها تولید اکسیژن کافی نیست، بلکه باید اکسیژن کافی برای اکسیژن‌رسانی هزاران بار برای حفظ آن تولید کرد».

برای اینکه سیاره اکسیژن بیشتری دریافت کند، سرما لازم بود. زمانی که زمین به اندازه کافی سرد شد، پوسته آن به صورت صفحات جامد شروع به حرکت کرد و موادی را به گوشته فرستاد و به خنک شدن فضای داخلی سیاره کمک کرد. در نتیجه، زمین از یک دنیای آبی، که در آن جزایر آتشفشانی پراکنده بودند، به جهانی با قاره ها و کوه ها تبدیل شد.

ضخیم شدن پوسته زمین باعث افزایش عمق محل ذخیره ماگما قبل از فوران و در نتیجه افزایش فشار بر مواد در عمق زمین شده است. این تغییر ساده ترکیب شیمیایی سنگ مذاب و در نتیجه ترکیب شیمیایی گازهای آزاد شده توسط آتشفشان ها را تغییر داد. داسگوپتا توضیح می دهد: «در یک مورد، اگر پوسته نازک باشد، گازهای بازسازی شده خواهید داشت. در غیر این صورت، اگر پوسته ضخیم باشد، گازهای اکسید شده بیشتری خواهید داشت. بنابراین، تولید گازهای مصرف کننده اکسیژن با رشد قاره ها کاهش یافت.

قبل از ظهور قاره ها، کمبود مواد مغذی مانند فسفر در آب اقیانوس ها می تواند فراوانی حیات را به کمتر از 7 درصد از توده موجود زنده محدود کند. این امر جمعیت سیانوباکتری ها را محدود کرد و تولید اکسیژن را سرکوب کرد. اما با رشد قاره‌ها، فرسایش مواد مغذی بیشتری را وارد اقیانوس‌ها کرد و با تغییر شیمی گدازه‌ها با رشد قاره‌ها، مواد مغذی از سنگ‌های غنی از فسفر آزاد شدند و میزان حیاتی که زمین می‌توانست از آن پشتیبانی کند افزایش می‌داد.

هنگامی که حیات در اقیانوس ها شکوفا شد، فرآیندی را به نام “پمپ کربن دریایی” آغاز کرد. امروزه کل جمعیت پلانکتون در لایه سطحی اقیانوس های جهان هر چند روز یک بار توسط پلانکتون خواران و ویروس ها از بین می رود. در حالی که بیشتر کربن موجود در این کشتار به زندگی جدید باز می گردد، بخشی از آن در بستر دریا مدفون می شود. چیزی مشابه در زمین اولیه اتفاق افتاد، با این تفاوت که موجودات تغذیه کننده وجود داشتند.

کربن آلی نیز با اکسیژن واکنش داده و دی اکسید کربن تولید می کند. بنابراین، برای انباشته شدن اکسیژن در جو، کربن آلی باید مدفون شود. به عبارت دیگر، دفن کربن باعث افزایش اکسیژن می شود.

با رشد قاره ها، میزان آهن شسته شده به اقیانوس ها نیز افزایش یافت. این آهن به کربن آلی متصل می شود و مانع از پردازش کربن توسط میکروب ها می شود تا زمانی که کربن به طور ایمن دفن شود، بنابراین سرعت دفن کربن افزایش می یابد. علاوه بر این، قاره های بزرگتر فضای بیشتری را برای حوضه های رسوبی فراهم می کردند که به نوبه خود کربن آلی را مدفون می کردند و به افزایش اکسیژن کمک می کردند.

با وجود همه این عوامل، رویداد بزرگ اکسیژن یک سوئیچ ساده نبود. رکورد سنگ نشان دهنده انتشار اکسیژن است که صدها میلیون سال قبل از این رویداد شروع شد و در طی آن سطح اکسیژن برای 200 میلیون سال در نوسان بود. آریل انبار، استاد دانشگاه ایالتی آریزونا می‌گوید: «اگر جریان گازهای مصرف‌کننده اکسیژن در طول زمان کاهش یابد، به نقطه‌ای نزدیک می‌شوید که در نهایت سیستم واژگون می‌شود.» با نزدیک شدن به نقطه اوج، ثبات سیستم باید به تدریج کاهش یابد.

تغییر در وضعیت اکسیژن، سیاره زمین را در بحران فرو برد. انبار می گوید: «به دلیل گاز گلخانه ای متان، زمین گرم می ماند و سپس بوی اکسیژن می دهد. سپس با ناپدید شدن گازهای گلخانه ای، سرانجام عصر یخبندان فرا خواهد رسید.» در نتیجه بلافاصله پس از GOE، زمین وارد مجموعه ای از یخبندان های جهانی به نام «زمین های گلوله برفی» شد که حدود 220 میلیون سال طول کشید.