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对在美国西南部地质构造中采集的地球地幔气体进行的精确分析表明，该气体的来源更类似于碳质陨石，而不是太阳。 如果得到进一步研究的证实，这项新研究将挑战一个关于大气层形成的理论模型 该模型认为地球最初有两个太阳气体库，在地球形成和早期阶段捕获——一个环绕地球，另一个埋藏在地表之下。
格雷格·荷兰德，英国曼彻斯特大学同位素地球化学博士后研究员，及其同事在新墨西哥州的布拉沃穹顶气田测量了各种惰性气体同位素的含量，那里的岩浆气体（主要是二氧化碳）使得可以对地幔进行采样，并埋藏在地下数百米处。（同位素是同种元素的变体，但中子数不同，因此原子质量也不同。）惰性气体（或称稀有气体），如氖、氩、氪和氙的丰度和同位素比率，为古代过程提供了有价值的示踪剂，因为它们化学性质不活泼，因此随着时间的推移变化不大。在12月11日出版的科学杂志上，荷兰德的研究小组概述了他们的发现，以及这些发现如何可能排除一些关于地球在约45亿年前聚结形成时大气层形成方式的理论。
地球原始大气层成分有许多可能的来源，从所谓的太阳星云（太阳形成后残留的尘埃和气体云），到可能在地球形成期间或之后向地球输送大量化学物质的彗星和其他撞击物。 同样，行星失去大气层的方式也有很多种，例如被太阳风剥离、被太阳辐射烘烤，或者被彗星或小行星灾难性撞击。
通过将地球目前的大气层与太阳气体的成分进行比较，之前的研究人员已经开发出一个模型，根据该模型，一对不同的太阳获取气体库将演变成今天的大气层。 “如果你看看今天的大气层，你会发现它的成分绝对是非太阳的，” 罗伯特·佩平，明尼苏达大学物理学荣誉退休教授，他没有参与这项新研究。“诊断性的线索是，氖、氩、氪、氙、氮等所有元素的同位素比率，看起来都经历了一个逃逸过程，其中最轻的同位素相对于较重的同位素优先逃逸”——这个过程称为分馏。 换句话说，大气层中的惰性气体同位素比太阳中的重。
对湍流过程进行建模——例如，巨型撞击和极端紫外线辐射——可能驱动氙分馏，这导致了佩平所说的“氪问题”。 同样的可能将太阳氙样本转变为现代大气氙样本的分馏过程，与地球目前大气层中发现的氪相比，会在轻氪同位素中留下亏损。 但佩平和他的同事们意识到，如果还有另一种太阳气体来源可用——例如，从地球早期就困在地幔中的太阳气体——那么当它释放到大气层中时，它可以使元素重新回到平衡状态。 “碰巧的是，如果你引入一个太阳成分并将其与分馏的氪混合，你就会得到目前的大气成分，”佩平解释说。
荷兰德原则上同意这个理论，但他的数据未能支持它。 荷兰德和他的合作者指出，太阳形成后残留的气体可能持续到行星前身时代，因此在行星内部和周围双重捕获太阳气体是完全有可能的。 “说它在地幔内部也许是一个自然的假设，”荷兰德说。 但布拉沃穹顶气田内部的痕量惰性气体并没有反映出太阳起源。 “我们在地幔中没有看到任何太阳惰性气体，”他说。
氪有几种稳定的同位素，其相对丰度可用于解析气体的来源。 太阳来源的氪同位素较轻——它具有相对较低的重同位素氪84和氪86与较轻的氪82的比率。 今天大气层中的氪比太阳氪略重，而碳质球粒陨石中嵌入的氪甚至更重。
在荷兰德及其同事采集的地幔气体样本中，氪的测量结果偏重，产生了“一些看起来很像今天困在原始球粒陨石中的气体的东西”，佩平说。 这意味着地幔中的气体并非来自太阳，而是来自早期岩石物质的吸积。 荷兰德说，有了这样的地幔气体组成，“你不能通过内部释放气体来形成大气层——大气层必须来自其他地方。” 作者提出的一个可能性是，冰彗星在地球形成后轰击地球，并将它们自己独特的化合物和气体混合物输送到一个从太阳来源演化而来的现有大气层。
佩平说，这项新工作挑战了他自己的理论，但称其为“一个绝妙的想法，并有数据支持”。 但他指出，他关于行星获取然后释放太阳物质的模型尚未过时。 他说，首先，荷兰德和他的同事需要对其他来源进行采样，以确定他们的结果是地幔的典型特征，还是仅仅是新墨西哥州地点的怪异之处。 此外，佩平指出，曾经嵌入地球地幔中的太阳气体可能早已耗尽。 “他们假设，既然他们今天在这个储层中没有看到太阳型氪，那么它就从来没有存在过，”佩平说。“地球在其早期历史上是如此活跃，以至于它可能曾经存在过，并且已经脱气到你再也看不到它的程度。”
荷兰德承认新数据集的局限性：“这些样本仅来自美国西南部的一个特定区域。” 但他补充说，测试其他地幔来源是“我们下一步的工作”。