Afbeelding in de hoofding: Een artist impressie van het aardoppervlak met atmosfeer. Hier moet de Aarde al zeker 1 miljard jaar oud zijn, want er zijn al stromatolieten aanwezig in de ondiepe waters. Bron : http://www.regents-earthscience.com/the-atmosphere.html
De Aarde en alle andere planeten zijn ontstaan in de reusachtige wolk van stof en gas waaruit het Zonnestelsel geboren werd, nadat deze wolk al afgeplat was tot een protoplanetaire schijf, en nadat de meeste materie al opgeslokt was door de jonge Zon. Deze wolk was verschillend van samenstelling volgens de afstand tot de ster, maar overal was het omgevingsgas gedomineerd door waterstof, en in mindere mate helium. Bij het samenklonteren van de planeet was er dus ook meteen een ‘primaire’ dikke atmosfeer rond blijven hangen met vooral waterstof. Maar waterstof is erg licht, en heeft daarom niet zoveel snelheid nodig om aan de zwaartekracht van de Aarde te onstnappen. Extra snelheid krijg je als luchtmolecule gemakkelijk op een hete protoplaneet, en als je dan wat hoger in de atmosfeer geraakt, wordt je ook nog geholpen door hoog-energetische deeltjes die binnenkomen van de zonnewind. Het meeste waterstof en helium ging dus in de ruimte verloren, of het waterstof reageerde met andere moleculen om bijvoorbeeld water of ammonium te vormen.
Tegelijkertijd begon de pas gevormde Aarde enorm veel gassen uit te stoten. De planeet was eerst nog gloeiend heet aan de buitenkant, en ook nadat door afkoeling een vaste korst ging vormen, was er nog altijd waanzinnig veel vulkanisme. Deze ‘outgassing’ moet honderden miljoenen jaren zeer hevig geweest zijn (vandaag is het nog steeds bezig in veel mildere vorm, want de planeet is nog steeds vulkanisch actief). Bij de uitgestoten gassen zat vooral:
- Water H2O
- Koolzuurgas CO2
- Koolstofmonoxide CO
- Methaan CH4
- Ammonium NH3
Dit waren de dominante uitgestoten gassen (met water en koolstofdioxide op kop), maar natuurlijk was er nog een diverse groep aan andere gassen in kleinere hoeveelheden, zoals bijvoorbeeld: SO2, CO, H2S, H2SO4, HCl.
Enorme hoeveelheden waterdamp begonnen in de atmosfeer van de afkoelende Aarde massaal te condenseren. Vermoedelijk werd onze planeet daarom met vloeibaar water bedekt na ongeveer de eerste 170 miljoen jaar. Beeld je eens in dat het tientallen miljoenen jaar zonder stoppen aan het stortregenen is.
Het methaan en koolstofmonoxide oxideerde ook op de jonge Aarde gemakkelijk tot CO2, en de atmosfeer moet in het begin goed op die van Venus geleken hebben: compleet vol met CO2 en met een luchtdruk rond de 90 bar. Dit wordt bevestigd door meerdere wetenschappelijke modellen. Vandaag is het CO2 gehalte ongeveer 420 ppm. Waar is al die CO2 naartoe gegaan? Wel, het bindt zich met mineralen in de aardkorst om carbonaatgesteenten te vormen. Via actieve platentektoniek wordt die koolstof uiteindelijk terug in de mantel gebracht. Beide processen – uitstoot via vulkanisme en heropname in de mantel via platentektoniek – lopen vandaag nog steeds verder, en werden eerder in deze cursus besproken in de paragrafen over platentektoniek.
In de vroege atmosfeer was er nog bijna geen zuurstof, en dus ook geen ozon in de hogere luchtlagen (stratosfeer) zoals vandaag. Er viel daarom veel meer hoog energetische UV straling binnen, zoals vandaag ook nog het geval is op Mars en Venus. Deze straling splitste moleculen zoals het water (H2O) en ammonium (NH3) van de jonge atmosfeer, een reactie die fotodissociatie genoemd wordt. Het resultaat is waterstofgas (H2), zuurstofgas (O2) en stikstofgas (N2). Waterstofgas is erg licht, en kan met beperkte energie ontsnappen van de Aarde. Het ging daarom voor een groot deel verloren in de lege ruimte buiten de atmosfeer. Het zuurstofgas reageerde snel met andere moleculen (bijvoorbeeld methaan om CO2 te vormen) en met gesteenten. Dus ook dat verdween geleidelijk. Wat altijd overbleef is het stikstofgas, een gas dat eigenlijk met niets spontaan reageert. Dit verklaart waarom we vandaag een atmosfeer hebben die door dit overblijvende gas gedomineerd wordt. Later zouden dan wel de zongenaamde denitrificerende bacteriën ontstaan, die vanaf dan een klein deel van het stikstofgas omzetten in nitraat in water en bodem, een zeer belangrijke voedingsstof voor levende wezens.
En hoe zat het dan met die hoge luchtdruk van de vroege atmosfeer? Deze wordt dus geschat op ongeveer 90 bar (vandaag hebben we 1 bar als luchtdruk), zoals het tegenwoordig nog altijd is op Venus. Waar is al die lucht naartoe?
De molecule die de lucht domineerde was CO2. Dit gas begon echter uit de lucht te verdwijnen wanneer er oceanen waren. Men schat dat ongeveer de helft van de CO2 oploste in het zeewater. Bijgevolg waren de jonge oceanen erg rijk aan koolzuur, en dus behoorlijk zuur. We zullen later zien dat dit belangrijk kon zijn om ontstaan van leven beter mogelijk te maken. De overige CO2 begon langzaam maar zeker te reageren met metalen uit de aardkorst, en carbonaatgesteenten te vormen. Deze carbonaten kan je op continentale korst nog terugvinden in gesteentelagen van alle tijden. Door de verschillende lagen te bestuderen kon men gaan inschatten hoeveel CO2 er tijdens de aardgeschiedenis uit de lucht gehaald werd via carbonaatvorming (en vervolgens door platentektoniek in de mantel gebracht). Onderstaande grafiek toont de trend van de luchtdruk over de volledige geschiedenis van onze planeet. Merk op dat in de tijd van de reusachtige vliegende dinosaurussen (ongeveer 200-65 miljoen jaar geleden) de druk rond 5 bar lag. De luchtdruk van vandaag zou deze reuzen in de lucht niet kunnen dragen.
Toen de Aarde pas ontstaan was, dan straalde onze zon ongeveer 30% minder energie uit dan vandaag. Met dezelfde atmosfeer van vandaag zou dat een probleem geweest zijn. Maar omdat er zoveel waterdamp, methaan, en vooral CO2 aanwezig was, profiteerde de planeet van een veel sterker broeikaseffect. Omgekeerd, mochten we vandaag evenveel CO2 in de lucht hebben als toen, dan zou het klimaat onleefbaar warm geworden zijn. De toename van de zonne-energie en de afname van de CO2 in de atmosfeer verliepen beiden heel geleidelijk over de miljarden jaren. De Aarde vertoont weer maar eens de ‘ideale’ kernmerken om al die tijd met het klimaat binnen leefbare grenzen te blijven: net genoeg zeewater aan de oppervlakte, en een permanente recyclage via platentektoniek aan de meest geschikte snelheid.