部分在高級(jí)光子源上進(jìn)行的研究幫助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了地球第一層大氣的組成。他們發(fā)現(xiàn)的東西引發(fā)了關(guān)于地球生命起源的疑問(wèn)。

很久以前，當(dāng)我們的太陽(yáng)系逐漸形成今天我們所知道的行星時(shí)，地球本質(zhì)上是一個(gè)巨大的熔巖球。大約45億年前，科學(xué)家認(rèn)為地球與火星大小的行星相撞。這場(chǎng)災(zāi)難性碰撞產(chǎn)生的能量將地球上現(xiàn)有的大氣層吹向太空，創(chuàng)造了我們的月球，并使整個(gè)星球融化。

隨著時(shí)間的流逝，這個(gè)全球性的巖漿海洋釋放出氮?dú)?，氫氣，碳和氧氣等氣體，創(chuàng)造了一種新的氣氛，這是我們今天擁有的最古老的氣氛。但是，那早期的氣氛到底是什么樣的呢?為什么現(xiàn)在的氣氛與宇宙鄰居的氣氛如此不同?這些問(wèn)題使科學(xué)家困擾了幾代人，但是直到最近，答案才一直困擾著我們。

現(xiàn)在，一個(gè)由國(guó)際科學(xué)家組成的探索地球大氣起源的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，我們的曾經(jīng)與當(dāng)今在金星和火星上發(fā)現(xiàn)的大氣非常相似。他們的發(fā)現(xiàn)最近發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上，其含義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了地球早期大氣的化學(xué)成分，因?yàn)檫@些結(jié)果戳穿了生命本身進(jìn)化的流行理論中的漏洞。

原來(lái)，有關(guān)地球早期大氣的線索被埋在了我們最古老的巖石中。發(fā)現(xiàn)它們所需的是一臺(tái)激光爐，一個(gè)懸浮的熔巖球和高級(jí)光子源(APS)，這是能源部(DOE)科學(xué)技術(shù)部位于阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Argonne National Laboratory)的用戶設(shè)施辦公室。

由現(xiàn)任蘇黎世工業(yè)大學(xué)(ETH)和蘇黎世國(guó)家能力研究中心(NCCR)PlanetS的高級(jí)研究員Paolo Sossi領(lǐng)導(dǎo)的研究小組著手揭開這些秘密。盡管他們無(wú)法直接測(cè)量地球古代的大氣層，但他們找到了一種方法，可以在地球上最古老的巖石形成時(shí)測(cè)量大氣層的確切組成。

索西解釋說(shuō)：“四十五億年前，巖漿-現(xiàn)在位于地殼下的熔融巖石-與上層大氣不斷交換氣體。” “空氣和巖漿相互影響。因此，您可以相互了解。”

隨著巖漿冷卻并變成巖石，它鎖定了當(dāng)時(shí)大氣的記錄。巖漿富含鐵，巖石中鐵的氧化態(tài)(本質(zhì)上是鐵銹的化學(xué)成分)為科學(xué)家提供了地球早期大氣狀況以及當(dāng)時(shí)可用氧氣的指示。當(dāng)大氣中有更多氧氣時(shí)，鐵與氧氣以2：3的比例鍵合，并且大氣中富含氮和二氧化碳。當(dāng)可用的氧氣較少時(shí)，該比例為1：1，并且大氣中包含更多的甲烷和氨。

但是，為了了解地球早期大氣的確切組成，科學(xué)家本質(zhì)上需要在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)建早期地球(及其大氣層)的微型版本。為此，他們組裝了地球早期地幔的元素(在橄欖巖中為地質(zhì)學(xué)家所知)，用激光對(duì)其加熱直至變成熔巖，然后將這股熔巖懸浮在氣流中，這代表了地球最早的地幔。氣氛。

當(dāng)熔巖冷卻時(shí)，剩下的大理石大小的玻璃球記錄了熔巖與其中所含鐵中的大氣之間的化學(xué)反應(yīng)的記錄。使該實(shí)驗(yàn)成為可能的技術(shù)進(jìn)步只是在最近才出現(xiàn)的。為了熔化橄欖巖，您必須使其變得非常非常熱(接近2000°C)，然后迅速對(duì)其進(jìn)行淬火以保持高溫下的化學(xué)性能。隨著新的激光爐技術(shù)的發(fā)展，做到了這一點(diǎn)成為可能。

科學(xué)家使用可能存在于早期大氣中的各種化學(xué)成分的氣體重復(fù)了多次實(shí)驗(yàn)，然后研究了樣品中鐵的氧化態(tài)，尋找與地球地幔巖石中最相似的氣體。將天然巖石中的鐵的氧化態(tài)與實(shí)驗(yàn)室中形成的鐵進(jìn)行比較，可以使科學(xué)家們了解到，其中的一種氣體混合物與地球早期的大氣層相匹配。

索西說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)，數(shù)十億年前我們已經(jīng)計(jì)算出的大氣成分與今天在金星和火星上存在的成分相似，”索西說(shuō)。他們的樣本與從地球地幔中的古代巖石中發(fā)現(xiàn)的樣本相匹配。“當(dāng)巖漿產(chǎn)生的大氣處于正確的氧化狀態(tài)時(shí)，一旦冷卻，就會(huì)得到大約97%的二氧化碳和3%的氮?dú)?，這與今天在金星和火星上發(fā)現(xiàn)的比例相同。”

多年以來(lái)，地質(zhì)學(xué)家一直使用APS來(lái)研究巖石的成分和其中所含鐵的氧化態(tài)。由芝加哥大學(xué)的科學(xué)家GeoSoilEnviroCARS(13-ID-E)管理的APS上的一條特殊光束線已成為此類研究和分析的世界領(lǐng)先者。當(dāng)科學(xué)家對(duì)樣品進(jìn)行分析的時(shí)候到了，這顯然是值得去的地方。

“ APS使我們能夠制造非常小的光束，我們可以使用這種光束進(jìn)行這種類型的分析，” APS的高級(jí)研究助理和光束線科學(xué)家，論文的作者馬特·紐維爾(Matt Newville)說(shuō)。他研究的光束線可以將光束聚焦到最小1微米的范圍內(nèi)，比人發(fā)的寬度小50倍，從而使科學(xué)家能夠?qū)悠愤M(jìn)行非常精確的測(cè)量。

紐維爾說(shuō)：“我們一直在對(duì)巖石進(jìn)行這種類型的分析，但是這些都是令人驚奇地精心制作的樣本。” “他們能夠獲得非常擅長(zhǎng)模擬早期大氣影響的樣本，這真是令人難以置信。”

這些樣本不僅提供了一種測(cè)量地球古代大氣成分的方法，而且還對(duì)流行的生命起源理論提出了一些地質(zhì)上的限制。1950年代，史丹利·米勒(Stanley Miller)在芝加哥大學(xué)進(jìn)行了一項(xiàng)開創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，氨基酸是生命的基本組成部分，當(dāng)用液態(tài)水和富含甲烷和氨的空氣在通電后模擬閃電時(shí)，就會(huì)形成氨基酸。當(dāng)時(shí)，這些條件被認(rèn)為存在于地球早期。

但是，如果這項(xiàng)新的研究表明，如果地球早期的大氣中富含二氧化碳和氮，那么這些氨基酸的形成將更加困難。

這些實(shí)驗(yàn)還幫助回答了以下問(wèn)題：為什么地球目前的大氣與我們鄰近的行星如此不同。在地球上，液態(tài)水是在這種巖漿形成的大氣中形成的，將二氧化碳從空氣中吸出并進(jìn)入了新形成的海洋。索西說(shuō)，由于所有三個(gè)行星(地球，金星和火星)都是由相似的材料形成的，正是地球的大質(zhì)量及其與太陽(yáng)的特殊距離的共同作用才使它能夠在其表面上保留液態(tài)水，然后導(dǎo)致二氧化碳減少。而金星不是因?yàn)闇囟忍?，而火星不是因?yàn)闇囟忍摺?/p>

現(xiàn)在，索西已經(jīng)弄清楚了巖漿-地球形成了什么樣的大氣，他將目光投向了恒星。他希望通過(guò)對(duì)這種實(shí)驗(yàn)技術(shù)的改進(jìn)，找到一種使用紅外測(cè)量大氣成分的方法，以便有一天我們可以使用衛(wèi)星研究當(dāng)今其他太陽(yáng)系中可能實(shí)際存在的巖漿世界。