科学家说，在澳大利亚远古熔岩中发现的气泡揭示了早期地球的大气层可能只有今天的一半厚。
研究人员在一项新的研究中说，这些发现与数十年来认为地球早期大气层很厚的观点相矛盾，如果得到证实，将扩大能够支持生命的行星类型列表。[照片：地球表面之下隐藏的液态海洋]
即便如此，其他地球科学家表示，这一说法肯定会引起争议。
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“这里有一个年轻的地球，拥有与今天完全不同的大气层，但仍然充满生机，”蓝色大理石空间科学研究所主任、主要研究作者桑乔伊·索姆在给《生命科学》的一封电子邮件中说。大约在27亿年前，地球自转速度更快，新形成的月球引起的潮汐比今天的地球经历的潮汐高得多，索姆说。它也可能暴露在更多的紫外线下，因为当时还没有臭氧层。“[这]使得早期地球成为我们拥有的最接近可居住系外行星[太阳系外行星]的东西，”索姆补充道。
保持地球温暖
这项研究是解决“微弱太阳悖论”的众多尝试之一，该悖论最早由天文学家卡尔·萨根和乔治·穆伦在1970年代提出。根据这个悖论，太阳演化的天体物理模型表明，我们的恒星在数十亿年前应该更暗淡——事实上，如此暗淡，以至于地球应该被冰川覆盖。 有某种东西使地球保持温暖，最近的研究表明，富含较高水平水蒸气、二氧化碳、甲烷和其他温室气体的厚氮气大气层可能是罪魁祸首。[照片：地球上最古老的生物]
索姆和华盛顿大学地球与空间科学教授大卫·卡特林正在提出一个截然不同的想法：27亿年前，地球拥有稀薄的大气层，该大气层仍然主要由氮气组成，其压力最多只有地球当前压力的一半——相当于海平面以上约17,000英尺（5,180米）处的压力。
稀薄的大气层通常意味着地球整体更冷，研究人员说，因为气体捕获热量，更多的气体捕获更多的热量。但索姆指出，较低的压力实际上可能意味着更高浓度的温室气体，因为由于大气稀薄，早期地球上的水会更容易沸腾。
索姆说：“这将增加空气中水蒸气的量，水蒸气是最强的温室气体。” 研究人员认为，所有这些水蒸气，以及更多的二氧化碳和甲烷，将使地球保持相对温暖。
远古熔岩气泡
早期地球上存在如此稀薄的空气层的证据来自澳大利亚的远古岩石。索姆和他的团队检查了岩石中捕获的气泡。熔岩（或任何其他液体）中的气泡大小取决于周围空气的压力。 因此，测量气泡的体积可以告诉科学家液体（在本例中为熔岩）凝固时的气压是多少。索姆和他的同事发现的气泡大小表明，27亿年前的大气层更稀薄。
熔岩还具有“熔岩脚趾”——小的、叶状的形状——底部有玻璃状碎片。 研究人员说，这些通常表明熔融岩石流入潮湿的海滩砾石中——这是它们在海平面形成的有力证据。
下一个要回答的问题是空气是如何变得如此稀薄的。 科学家说，地球刚刚形成后，其大气层仍然比今天厚。 这是因为氮气来自多个来源，包括大气本身以及地壳和地幔，地壳和地幔刚刚被形成月球的撞击加热，并将释放大量气体。（来自所有三个来源的氮气总量在一段时间内大致保持不变——不同之处在于它所处的形式。）
为了创造这种稀薄的大气层，必须将氮气从空气中取出并放入其他地方，将其锁定在化合物中。 “我们认为生物学做到了这一点，”索姆说。
研究人员说，地球上出现的细菌生命形式会从空气中提取氮气，并将其与其他元素结合以制造新的化合物，例如铵。 生命形式现在也这样做——除了空气中的氧气，细菌可以将氮气返回大气，从而形成现代氮循环的一部分。
索姆说，这些化合物，如铵（NH4 离子），会沉积到新生海洋的粘土中，并随着构造板块在彼此下方滑动而被带回地球，并带走它们的氮。
大气层是如何再次变厚的？
在大氧化事件之后，大约发生在25亿年前，单细胞生物开始排放氧气作为废物。
索姆提出了两种可能的机制，可以解释当时将氮气作为气体重新释放回空气中的原因。 首先，呼吸氧气的生物会与氧气发生反应释放氮气。（这种情况今天也在发生，这个过程称为反硝化作用。） 另一种可能性是，作为铵进入地球地幔的氮气再次分解为氮气（N2），从而使火山在约3.3亿年的时间里向大气中释放更多的氮气。
因此，索姆说，当生命在地球上出现时，显然可以在比任何人想象的更广泛的气压范围内这样做。 这项研究还指出，地球上的气压可能比科学家想象的在一段时间内波动得更大。 这也意味着，如果生命能够以一半或更少的大气层在这里生存，那么它也可以在其他地方生存。
其他行星上的生命
苏格兰圣安德鲁斯大学地质学助理教授萨米·米哈伊尔没有参与这项研究，他说这项工作将引起争议。“这令人兴奋，因为结果似乎很可靠，”米哈伊尔告诉《生命科学》。 他也做过关于地球早期大气层的研究，这些研究的结果也指向早期地球上的稀薄大气层。 “如果他们是对的，我们将不得不重新思考我们对地球演化的了解，”他说。[关于地球生命起源的7个理论]
米哈伊尔说，这项工作扩大了科学家认为生命可能存在的世界类型。
他说：“当我们观察[系外行星]系统中的类地行星时，我们可能会发现一些具有像这样的稀薄大气层的行星。” 他补充说：“这意味着它们可能会在未来数十亿年内演变成地球。”
这项研究于5月9日在《自然-地球科学》杂志在线详细介绍。
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