Bewijs uit een oud deel van de aardkorst suggereert dat de aarde ooit een waterwereld was, zo'n drie miljard jaar geleden. Als dat waar is, betekent dit dat wetenschappers moeten nadenken over exoplaneten en bewoonbaarheid. Ze zullen ook hun begrip van hoe het leven op onze planeet begon, moeten heroverwegen.
Een nieuw artikel presenteert deze resultaten in het tijdschrift Nature Geoscience. De titel van het blad is ' Beperkte archaïsche continentale opkomst weerspiegeld in een vroege Archaïsche18O-verrijkte oceaan .” De co-auteurs zijn Boswell Wing van de University of Colorado, Boulder, en zijn voormalige postdoc-student Benjamin Johnson aan de Iowa State University.
Het werk is gericht op een gebied in de Australische Outback, het Panorama-district. In die regio in het noordwesten van Australië ligt een stuk oceaanbodem van 3,2 miljard jaar oud, dat op zijn kant is gekeerd. Het stuk korst bevat chemische aanwijzingen over het zeewater van de oude aarde.
'Er zijn geen monsters van echt oud oceaanwater rondslingeren, maar we hebben wel rotsen die interactie hadden met dat zeewater en die interactie herinnerden,' zei Johnson in een persbericht .
'De oorsprong en evolutie van de biosfeer van de aarde werden gevormd door de fysieke en chemische geschiedenis van de oceanen.'
Uit het artikel 'Beperkte Archaean continentale opkomst weerspiegeld in een vroege Archaean'18O-verrijkte oceaan.
De auteurs wilden het debat over hoe de oude aarde eruitzag nieuw leven inblazen en nieuwe wegen inslaan in de discussie.
In de inleiding van hun paper zeggen de twee auteurs: 'De oorsprong en evolutie van de biosfeer van de aarde werden gevormd door de fysieke en chemische geschiedenis van de oceanen. Mariene chemische sedimenten en veranderde oceanische korst bewaren een geochemisch verslag van deze geschiedenissen. Chemische sedimenten in de zee vertonen bijvoorbeeld een toename van hun18OF/16O verhouding door de tijd.”
Mariene sedimenten zijn in de loop van de tijd goed bestudeerd, maar de auteurs van deze studie keken in plaats daarvan naar de oude korst. De oude oceanen bevatten verschillende soorten zuurstof die vervolgens in de korst werden afgezet. De wetenschappers verzamelden meer dan 100 monsters van het oude gesteente en analyseerden het op twee zuurstofisotopen: zuurstof-16 en zuurstof 18. Ze wilden de relatieve hoeveelheid van elke isotoop in de oude korst vinden, om het te vergelijken met de hoeveelheden in het sediment.
Artist impression van de vroege aarde. Credit: NASA Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab
Hun resultaten toonden meer zuurstof-18 in de korst toen het 3,2 miljard jaar geleden werd gevormd, wat betekent dat de oceaan op dat moment meer zuurstof-18 had. Het paar onderzoekers zegt dat dat betekent dat toen die korst werd gevormd, er geen continenten waren. Dit komt omdat wanneer continenten zich vormen, ze klei bevatten, en die klei zou de zwaardere zuurstof-18 hebben geabsorbeerd. Dus als er 3,2 miljard jaar geleden continenten waren geweest, zouden hun korstmonsters minder zuurstof-18 hebben vastgehouden.
De overkoepelende conclusie van hun werk is dat de oceanen van de aarde door twee verschillende toestanden gingen: een vóór de vorming van continenten en een nadat de continenten waren gevormd.
Chemische sedimenten in de zee zijn uitgebreid bestudeerd om te proberen continentvorming op de oude aarde samen te stellen. Zoals de studie zegt, omvatten die oude sedimenten 'carbonaten, fosfaten, microkristallijn silica en ijzeroxiden. Omdat deze mineralen rechtstreeks uit waterige soorten worden gevormd, kunnen ze de?18O van het water waarmee ze samenleven.” De sedimenten zijn als een archiefbestand van de aarde in die tijd, en de oudere sedimenten laten zien dat de zuurstof-18-waarden in de loop van de tijd gestaag toenemen, helemaal tot op de dag van vandaag. Maar dit werk contrasteert daarmee, en de auteurs suggereren dat zeewater zuurstof-18 in de loop van de tijd afnam.
Artistieke afbeelding van een waterige exoplaneet in een baan om een verre rode dwergster. Nieuw onderzoek geeft aan dat Proxima b bijzonder waterig kan zijn. Krediet: CfA
Het paar wetenschappers construeerde een model voor de oude aarde, waaruit blijkt dat 'de aanvang van continentale verwering in de late Archaïsche periode, tussen 3 en 2,5 miljard jaar geleden, een18O-verrijkte vroege Archaïsche oceaan tot ?18O-waarden vergelijkbaar met die van modern zeewater.” Dus pas nadat continenten waren gevormd, konden de zuurstof-18-waarden op moderne waarden gaan lijken.
Hoewel deze studie wijst op de mogelijkheid van de oude aarde als een waterwereld, betekent dit niet dat de planeet geen landvormen had. Gebieden ter grootte van een eiland, of zelfs micro-continenten, kunnen destijds hebben bestaan, vulkanisch van aard en zeer rotsachtig. Maar de soorten uitgestrekte landvormen die de aarde tegenwoordig bedekken, rijk aan grond en met hoge bergketens, hebben misschien niet bestaan. Als ze dat hadden gedaan, zou het zuurstof-18-gehalte meer op dat van vandaag hebben geleken.
'Er is niets in wat we hebben gedaan dat zegt dat je geen piepkleine, micro-continenten kunt hebben die uit de oceanen steken', zei Wing in een persbericht . 'We denken gewoon niet dat er op wereldschaal continentale bodems zijn gevormd zoals we die nu hebben.'
De auteurs suggereren niet dat hun werk het definitieve bewijs is in de voortdurende discussie rond de vroege aarde. Ze merken op dat er andere mogelijke redenen zijn voor hun resultaten.
Als de oude continenten veel langzamer werden gevormd dan de moderne continenten, zou dat de discrepantie in zuurstof-18 kunnen verklaren. Het is ook mogelijk dat de klei die zuurstof-18 absorbeert, zich in de oceaan zelf heeft gevormd in plaats van op de continenten.
Dat wijst op een blijvend mysterie in de aardwetenschappen: wanneer zijn continenten precies gevormd?
Gondwana 420 miljoen jaar geleden. Image Credit: door Fama Clamosa - Eigen werk, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=67001070
Het is waarschijnlijk, volgens enig bewijs, dat de continenten zich alleen konden vormen als de kern van de aarde warmte afstoot en afkoelde. In ieder geval kregen moderne continenten pas na het Jura vorm. Daarvoor besloeg het enkele supercontinent Gondwana ongeveer een vijfde van het aardoppervlak. Wing wil jongere delen van de aardkorst onderzoeken om te proberen duidelijker vast te stellen wanneer de moderne continenten zijn gevormd.
Deze studie gaat ook in op het vroege leven op aarde, en hoe en wanneer het is ontstaan. De vroege oceanen van de aarde fungeerden, net als moderne oceanen, als een buffer, die 'klimatologische feedback tussen de biosfeer, de atmosfeer en de geosfeer door diepe tijd bemiddelde, wat hielp om de planetaire bewoonbaarheid op lange termijn te garanderen.'
In deze illustratie wordt ter vergelijking de exoplaneet GJ 1214 b, een waarschijnlijke oceaanwereld, getoond tussen de aarde en Neptunus. Image Credit: door Aldaron, ook bekend als Aldaron - Eigen werk, met afbeeldingen uit het publieke domein voor referentieplaneten (zie hieronder), geïnspireerd door Thingg's groottevergelijking, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index. php?curid=8854174
De wetenschap heeft een beeld geschetst van hoe de vroege aarde eruit zou kunnen hebben gezien, en wat de aard van de oceanen was. Maar het is verre van compleet. Het bewijs is allemaal begraven, in de rotsen en in de tijd. En terwijl we proberen de klimaatverandering hier op aarde te begrijpen, en naarmate we exoplaneten steeds beter bekijken, krijgen al deze vragen over de oude aarde, de oceanen en de biosfeer een nieuw belang.
Zoals de auteurs in hun artikel zeggen: 'Een vroege aarde zonder opkomende continenten lijkt misschien op een 'waterwereld', wat een belangrijke milieubeperking vormt voor de oorsprong en evolutie van het leven op aarde, evenals voor het mogelijke bestaan ervan elders.'
'De geschiedenis van het leven op aarde volgt beschikbare niches', zei Wing. 'Als je een waterwereld hebt, een wereld bedekt met oceaan, dan zullen droge nissen gewoon niet beschikbaar zijn.'
Meer:
- Onderzoeksdocument: Beperkte Archaïsche continentale opkomst weerspiegeld in een vroege Archaïsche 18O-verrijkte oceaan
- Persbericht: De vroege aarde was mogelijk een 'waterwereld'
- Wikipedia: Oceaan planeet