Friday 11 May 2012

Origen y evolución de la atmósfera.

Últimamente la facultad me tiene muy ocupado y no pude actualizar el blog. Pero para mostrar que no me olvidé de este lugar, decidí publicar una versión adaptada de un trabajo práctico que tuvimos que hacer sobre el origen de la atmósfera. Quizás en el futuro le sirva también como recurso a algún estudiante de Cs. de la Atmósfera.

Origen y evolución de la atmósfera.

Se cree que la primera atmósfera de la Tierra estaba compuesta por los mismos gases que conformaban la nébula de la cual se formó el sistema solar hace unos 4,6 mil millones de años (Ga) (1). Estos gases (principalmente Hidrógeno y Helio) escaparon rápidamente hacia el espacio debido al bombardeo de planetesimales y al escape térmico del hidrógeno producido por la aceleración de los átomos causada por la radiación UV (Escape Jeans). La tasa actual de escape de Hidrógeno es mucho menor debido a que en la atmósfera primitiva no existía O2 que "atrapara" al H en H2O, una molécula suficientemente pesada para no poder escapar la gravedad de la Tierra.

Composición isotópica de meteoritos (círculos negros), la Tierra y Marte. Las unidades representan desviación sobre los valores de nuestro planeta. Así la tierra es constantemente cero y valores positivos (negativos) significan mayor (menor) cantidad de ese istótopo (2)
Como la atmósfera se encuentra en un equilibrio dinámico y se "recicla" en períodos geológicamente cortos, no tiene "memoria" de estos tiempos tan antiguos. Los gases nobles, sin embargo, son particularmente inertes por lo que su análisis proporciona evidencias de esta pérdida de la atmósfera primigenia. Por ejemplo, la proporción de los distintos isótopos del Xenón muestran que nuestro planeta tiene una deficiencia de isótopos livianos en comparación con meteoritos, un proxy de la química de la nébula de la que se creó el sistema Solar (2). Esto se explica mediante la existencia del “viento planetario” generado por el escape de la primera atmósfera en el cual los átomos de Hidrógeno empujaron a los otros elementos hacia el espacio en un proceso llamado "escape hidrodinámico".

Evidentemente la Tierra obtuvo una nueva atmósfera luego de esta primera pérdida. El escape hidrodinámico se redujo debido a la reducción de la radiación solar en el UV Extremo y a la reducción de la cantidad de hidrógeno (3). Los impactos planetarios que previamente habían ayudado al escape de la atmósfera ahora sirvieron para devolver elementos volátiles que conformaron la nueva atmósfera junto con la degasificación desde debajo de la corteza. En esta segunda atmósfera los gases predominantes eran el CO2, CO y N2. Durante los primeros cientos de millones de años siguientes es posible que estos compuestos de Carbono representaran una presión parcial de hasta 10 bar produciendo un efecto invernadero con una temperatura de equilibrio de ~86 ºC a pesar de que la radiación solar era un 30% menor que la actual (3).

Sin embargo, la existencia de tan altas concentraciones de CO2 se contradice con el registro geológico. Una presión parcial de CO2 de 3 bar (~70ºC) significaría una lluvia con un pH de 3,7, lo que debería evidenciarse en altísima erosión a nivel global; algo que no se observa en el registro geológico (4). Tan alta temperatura además es difícil de reconciliar con la existencia de glaciaciones.

Perfil vertical de la composición química de una atmósfera primitiva hipotética (3)
Depósitos de Fe evidencian que nuestra atmósfera permaneció anóxica hasta al menos ~2 Ga. Antes de esa época no se observan red beds (depósitos sedimentarios con óxidos de hierro) pero sí se observan depósitos de pirita (sulfuros de Hierro), mineral que se erosiona rápidamente con altas presiones parciales de O2 (3) (2). El paso de una atmósfera anóxica al estado actual muy probablemente haya comenzado cuando la producción de O2 durante la fotosíntesis excedió su desaparición por reacción con H2 de origen volcánico para formar agua (5). Esta teoría sin embargo se contradice con la historia isotópica del carbono. Si realmente hubiera habido un incremento en la producción fotosintética de O2, cabría esperar un aumento en la relación 13C/12C ya que los isótopos de carbono más livianos son favorecidos en la fotosíntesis. No está claro que haya evidencia de esto en el registro histórico (3). Otra fuente de O2 podría haber sido la disociación del H2O por la radiación solar (1), pero este incremento tendría que haber sido lento y es insuficiente para explicar por su cuenta las concentraciones actuales.

Un modelo propuesto por James Lovelock considera que la fotosíntesis apareció muy temprano pero que el O2 producido se utilizaba en la oxidación de los gases atmosféricos reducidos. Como éstos se reponían constantemente por la actividad geológica. la concentración de O2 atmosférica no comenzó a aumentar hasta que las fuentes de gases reducidos no comenzaron a agotarse. (6)

Si bien el CO2 es un componente menor en la atmósfera moderna, la existencia de grandes cantidades de depósitos de Carbono muestra que hay potencial para valores más altos en el pasado. Que la Tierra no experimentara temperaturas bajo cero a pesar de que el Sol antiguo era 30% menos brillante que el actual se puede explicar mediante un efecto invernadero más pronunciado a causa de mayores concentraciones de CO2. Este gas sirve como un “termostato” mediante un proceso autoregulador muy interesante. Un importante sumidero de carbono es la erosión de silicatos, pero esta disminuye con la temperatura, Así, a menores temperaturas se reduce la eliminación de CO2 de la atmósfera y su concentración aumenta, intensificando el efecto invernadero y calentando el planeta. Este nuevo aumento de la temperatura comienza a incrementar la erosión, reduciendo la cantidad de CO2 en la atmósfera. (3). Este proceso sirve para estabilizar la temperatura global durante los cambios en la radiación solar del pasado. La actividad orgánica amplifica la erosión e intensifica el proceso haciendo que responda más rápidamente (6)

Aunque otra explicación de la estabilidad en la temperatura puede ser el metano. En la atmósfera moderna el CH4 tiene un tiempo de residencia en la atmósfera de unos 10 años, pero en una atmósfera anóxica éste sería más bien de 10.000 años. La misma producción de CH4 que actualmente mantiene los niveles a unos 1,6 ppm significaría 1000 ppm en el pasado, causando un fuerte efecto invernadero que podría mantener caliente a nuestro planeta. (5).

Estos mecanismos resaltan la importancia de la biosfera en la evolución de la atmósfera. La historia de la atmósfera parece sugerir que la actividad biológica puede autorregular las condiciones en las que se desarrolla y mantener un equilibrio mediante procesos de retroalimentación negativa. Este fenómeno se denomina Hipótesis de Gaia y agrupa una gran cantidad de elegantes mecanismos de regulación. (6)

En resumen, la composición de nuestra atmósfera ha sufrido enormes modificaciones a lo largo de la historia de la Tierra. Esto se debió tanto a procesos geológicos como biológicos aunque es difícil explicarlos con certeza. La historia del aire es la historia de la vida.

Referencias (link)
  1. Ahrens, Donald. Meteorology Today. 2009.
  2. Gaidos, E. J. and Yung, Y.L. Evolution of Earth's Atmosphere. [book auth.] James R. Holton, Judith A. Curry and John A Pyle. Encyclopedia of Atmospheric Sciences. s.l. : Elsevier, 2003, pp. 762 - 767.
  3. Earth's Early Atmosphere. Kasting, James. 5097, 1993, Science, Vol. 259, pp. 920 - 926.
  4. Atmospheric composition and climate on the early Earth. Kasting, James F. and Howard, M. Tazewell. 361, 2006, Phil. Trans. R. Soc. B, pp. 1733-1742. doi: 10.1098/rstb.2006.1902.
  5. Life and the Evolution of Earth's Atmosphere. Kasting, James F and Siefert, Janet L. 2002, Science.
  6. Lenton, T. Gaia Hypothesis. [book auth.] James R. Holton, Judith A. Curry and John A Pyle. Encyclopedia of Atmospheric Sciences. s.l. : Elsevier, 2003, pp. 815-820.
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