微小的影响可能消除了地球原始大气的大部分

一项新发表的研究表明，小空间岩石或小行星可能在月球形成时左右轰炸了地球，用足够的力踢起了天然气云，将一小部分大气永久性地喷射到了太空中。

当今的气氛可能几乎没有其原始自我的踪影：地球化学证据表明，自40亿多年前形成以来，地球的大气层至少已被彻底消灭两次。但是，目前尚不清楚什么行星际力量会造成如此巨大的损失。

现在，麻省理工学院，希伯来大学和加州理工学院的研究人员发现了一种可能的情况：围绕月球形成的时间，无休止的小空间岩石或小行星闪电轰炸了地球，用足够的力踢起了天然气云，将一小部分大气永久性地喷射到了太空中。

研究人员计算，成千上万的此类微小撞击可以有效地抛弃地球的整个原始大气层。这种影响可能还炸毁了其他行星，甚至剥夺了金星和火星的大气层。

实际上，研究人员发现，小行星在驱使大气损失方面可能比巨型撞击器有效得多。根据他们的计算，要弥散大部分大气，将产生巨大的影响-几乎与地球撞击自身一样大。但是，总的来说，许多微小的影响会产生相同的效果，而只占质量的很小一部分。

麻省理工学院地球，大气与行星科学系的助理教授希尔克·施利希廷（Hilke Schlichting）说，了解地球古代大气的驱动因素可能有助于科学家识别鼓励生命形成的早期行星条件。

Schlichting说：“ [这项发现]为地球早期的大气层提供了非常不同的初始条件。”“这为我们提供了一个新的起点，让我们试图了解大气的成分以及发展生活的条件。”

Schlichting和她的同事们在Icarus杂志上发表了他们的研究结果。

高效弹出

该小组研究了巨大的，火星大小的更大的物体以及尺寸小于等于25公里的较小撞击器撞击后保留和损失了多少大气层-太空岩石相当于今天在小行星带周围旋转的那些岩石。

该小组进行了数值分析，计算了给定冲击质量以一定速度产生的力，以及由此产生的大气气体损失。研究人员发现，与像火星一样大的撞击器发生碰撞，将在地球内部产生冲击波，引起巨大的地面运动-类似于地球上同时发生的大地震-其作用力会波及到大气中。可能会喷射出很大一部分（即使不是全部）大气层。

但是，如果发生如此巨大的碰撞，它也应该融化行星内的所有物体，将其内部变成均匀的浆液。鉴于当今地球内部深处存在稀有气体（如3号氦气），研究人员得出的结论是，不太可能发生如此巨大的熔芯撞击。

相反，研究小组计算了较小的撞击器对地球大气的影响。这样的太空岩石在撞击时会产生各种爆炸，释放出一堆碎屑和气体。这些撞击器中最大的撞击器将具有足够的力量，足以从撞击切线平面（垂直于撞击器轨迹的直线）上方的大气中排出所有气体。在较小的影响下，仅会损失一部分大气。

研究小组估计，要完全排出地球上所有的大气层，就需要用成千上万的小型撞击器轰炸地球。这种情况很可能发生在45亿年前的月球形成时期。这个时期是银河系的混乱之一，成千上万的太空岩石围绕着太阳系旋转，经常碰撞形成行星，月球和其他物体。

“可以肯定的是，那时我们确实拥有了所有这些较小的撞击器，”施利希廷说。“一次小小的撞击并不能消除大部分的大气层，但总的来说，它们比巨大的撞击要有效得多，并且可以轻易地将整个地球的大气层喷出。”

失控效应

但是，Schlichting意识到，小影响的总和可能在驱动大气损失方面太有效了。与金星和火星相比，其他科学家测量了地球的大气成分。这些测量结果表明，尽管每个行星大气都具有相似的稀有气体丰度模式，但金星的预算类似于球粒陨石（即早期太阳系原始残骸的石陨石）的预算。与金星相比，地球的稀有气体预算已减少了100倍。

施利希廷意识到，如果两个行星都受到小型撞击器的相同冲击，那么金星的大气层本应被消耗掉。她和她的同事们回到了小型撞击器的情景，更详细地研究了大气损失的影响，试图解释两个行星大气之间的差异。

根据进一步的计算，该团队确定了一个有趣的效果：一旦失去了一半的大气层，小型撞击器就更容易排出其余的气体。研究人员计算出，金星的大气开始时只需要比地球稍大一些，以使小型撞击器侵蚀地球上半部的大气，同时保持金星完好无损。从那时起，施利希廷将这种现象描述为“失控的过程-一旦设法摆脱上半场，下半场就更容易了。”

零时

在小组的研究过程中，不可避免的问题出现了：最终取代了地球大气层的是什么？经过进一步的计算，Schlichting和她的团队发现与喷射气体相同的撞击器也可能引入了新的气体或挥发物。

施利希廷说：“当撞击发生时，它熔化了小行星，其挥发物可以进入大气。”“它们不仅可以消耗，而且可以补充一部分大气。”

该小组计算了给定成分和质量的岩石可能释放出的挥发物的量，发现成千上万的太空岩石的撞击可能已经补充了很大一部分大气。

“鉴于我们对所拥有的各种岩石的挥发性成分的了解，我们的数字是现实的，”施利希廷指出。

普渡大学（Purdue University）地球，大气和行星科学教授杰伊·梅洛什（Jay Melosh）说，施利希廷的结论是一个令人惊讶的结论，因为大多数科学家都认为，一次巨大的撞击会抹杀地球的大气层。他说，其他一些理论则激发了太阳强烈的紫外线辐射通量，以及“异常活跃的太阳风”。

梅洛什说：“地球如何失去其原始大气层是一个长期存在的问题，本文对解决这一难题有很长的路要走。”“生命是在这个时候在地球上开始的，因此回答有关大气层如何消失的问题可以告诉我们有关什么可能开始了生命的起源。”

展望未来，施利希廷希望能够更仔细地研究地球早期形成的基础条件，包括从小型撞击器释放出的挥发物与从地球古老的岩浆海洋中释放出的挥发物之间的相互作用。

施利希廷说：“我们希望将这些地球物理过程联系起来，以确定零时正好是地球刚形成时大气最可能的成分，并希望能确定生命进化的条件。”

出版物：Hilke E. Schlichting等人，“行星形成过程中的大气质量损失：行星撞击的重要性”，《伊卡洛斯》，第247卷，2015年2月，第81-94页； doi：10.1016 / j.icarus.2014.09.053

图像：美国宇航局