Khí quyển nguyên thuỷ của Trái Đất gồm những khí gì, trông thế nào

Khí quyển nguyên thuỷ của Trái Đất gần như không có oxy. Sau khi lớp khí hydro – heli ban đầu bị thổi bay, bầu khí quyển thứ hai được núi lửa "thở" ra: chủ yếu là CO₂, hơi nước và nitơ, kèm ít khí lưu huỳnh, có thể có mê-tan. Áp suất, nhiệt độ và cả màu bầu trời thời đó vẫn còn tranh luận, nhưng có một điều chắc: một người đứng trên Trái Đất trẻ sẽ ngạt thở chỉ sau vài phút.

Lần thứ nhất: lớp khí mượn từ tinh vân

Trái Đất hình thành khoảng 4,54 tỷ năm trước từ đám bụi và khí quay quanh Mặt Trời non. Khi hành tinh còn đang lớn, nó có thể đã tóm được một ít khí của tinh vân, chủ yếu là hydro và heli – hai nguyên tố nhiều nhất vũ trụ. Giới khoa học gọi đây là khí quyển sơ cấp.

Lớp khí này không trụ được lâu. Hydro và heli rất nhẹ, mà Trái Đất lại nhỏ so với sao Mộc hay sao Thổ, nên lực hấp dẫn không đủ giữ chúng. Gió Mặt Trời thời Mặt Trời trẻ mạnh hơn bây giờ nhiều, cộng thêm những cú va chạm lớn – trong đó có cú va chạm với một thiên thể cỡ sao Hoả mà nhiều nhà khoa học cho là đã sinh ra Mặt Trăng – đủ để thổi bay phần lớn lớp khí đầu tiên.

Bằng chứng nằm ngay trong không khí hôm nay. Các khí hiếm như neon và krypton trong khí quyển Trái Đất ít hơn rất nhiều so với tỷ lệ của chúng trong Mặt Trời. Nếu khí quyển hiện tại là phần còn lại của khí tinh vân, các khí trơ không phản ứng với gì kia lẽ ra phải còn nhiều. Chúng thiếu hụt, nghĩa là lớp khí đầu tiên đã mất, và bầu khí quyển ta có được "làm lại" từ bên trong.

Lần thứ hai: núi lửa thở ra bầu trời mới

Bên trong Trái Đất trẻ nóng hơn bây giờ, núi lửa hoạt động dày đặc. Đá nóng chảy chứa khí hoà tan, khi lên tới bề mặt thì khí thoát ra – quá trình gọi là thoát khí (outgassing). Thành phần khí núi lửa ngày nay cho ta một gợi ý: phần lớn là hơi nước, sau đó là CO₂, rồi lưu huỳnh đioxit, hydro sunfua, nitơ và một ít hydro.

Thêm vào đó là nước và khí do sao chổi, tiểu hành tinh mang tới. Phần đóng góp của sao chổi là bao nhiêu thì còn bàn cãi: tỷ lệ đơteri trên hydro (D/H) đo ở nhiều sao chổi không khớp với nước biển, trong khi một số loại thiên thạch giàu nước lại khớp hơn. Nhiều nhà nghiên cứu hiện nghiêng về giả thuyết phần lớn nước có sẵn trong vật liệu tạo nên Trái Đất từ đầu.

Khi bề mặt nguội bớt, hơi nước ngưng thành mưa và đổ xuống thành đại dương. Những tinh thể zircon tìm thấy ở vùng Jack Hills, Tây Úc, có tuổi khoảng 4,4 tỷ năm, mang dấu đồng vị oxy cho thấy chúng từng gặp nước lỏng. Nghĩa là biển có thể đã xuất hiện chỉ khoảng 150 triệu năm sau khi Trái Đất ra đời – sớm hơn hình dung cũ về một "thời địa ngục" nóng chảy kéo dài.

Bầu khí ấy gồm những gì

Không ai lấy được mẫu khí 4 tỷ năm tuổi, nên mọi con số đều là suy luận từ đá cổ, từ hoá học núi lửa và từ mô hình. Bảng dưới đây so sánh hình dung phổ biến hiện nay với khí quyển hôm nay.

Con số "gần như không có oxy" chắc chắn hơn cả. Bằng chứng mạnh nhất là dấu vết lưu huỳnh bất thường: trong đá cổ hơn khoảng 2,4 tỷ năm, các đồng vị lưu huỳnh bị phân tách theo kiểu chỉ xảy ra khi tia cực tím chiếu thẳng xuống khí lưu huỳnh mà không bị oxy và ozone cản. Nghiên cứu của James Farquhar và cộng sự trên tạp chí Science năm 2000 đã chỉ ra dấu vết này biến mất đúng vào khoảng thời gian oxy bắt đầu tích tụ.

Ngoài ra, sỏi cuội cổ chứa khoáng vật pyrit và uraninit bị nước cuốn đi mà không gỉ – điều không thể xảy ra trong không khí có oxy như bây giờ.

Khử hay trung tính: cuộc tranh luận kéo dài 70 năm

Những năm 1950, nhiều nhà khoa học tin khí quyển nguyên thuỷ là loại khử mạnh, giàu mê-tan, amoniac và hydro, giống sao Mộc. Chính hình dung đó là nền tảng của thí nghiệm Miller–Urey năm 1953.

Từ thập niên 1970–1980, quan điểm chuyển dần. Khí núi lửa hiện nay không giàu mê-tan hay amoniac; amoniac lại bị tia cực tím phá huỷ nhanh. Đa số mô hình bây giờ mô tả khí quyển Thái Cổ là trung tính hoặc khử nhẹ: nền nitơ và CO₂, có thêm hydro và mê-tan ở mức vừa phải. Cũng có ý kiến cho rằng những cú va chạm thiên thạch giàu sắt có thể tạm thời làm khí quyển rất giàu hydro trong một số giai đoạn ngắn. Chuyện này chưa ngã ngũ.

Trời dày hay mỏng, xanh hay cam

Áp suất: bằng chứng từ giọt mưa và bọt khí

Hai nhóm bằng chứng thú vị đến từ Nam Phi và Tây Úc. Năm 2012, nhóm của Sanjoy Som công bố trên Nature phân tích những vết lõm do giọt mưa hoá thạch in trên tro núi lửa khoảng 2,7 tỷ năm tuổi. Kích thước vết lõm phụ thuộc vào tốc độ rơi của giọt mưa, mà tốc độ rơi lại phụ thuộc vào độ dày không khí. Kết quả cho thấy khí quyển khi đó không dày hơn bây giờ quá hai lần.

Năm 2016, cũng nhóm này đo kích thước bọt khí trong dung nham đông cứng ở mép biển cổ ở Tây Úc và đưa ra ước tính áp suất còn thấp hơn, có thể dưới một nửa áp suất hiện nay. Kết quả này gây tranh luận, vì nó làm bài toán "Mặt Trời trẻ yếu ớt" càng khó giải.

Màn sương hữu cơ

Nếu mê-tan nhiều tới mức tỷ lệ mê-tan trên CO₂ vượt khoảng 0,1, tia cực tím sẽ biến mê-tan thành những hạt hữu cơ li ti, tạo thành lớp sương mù giống bầu trời màu cam của Titan, mặt trăng lớn nhất của sao Thổ. Một số tín hiệu đồng vị carbon trong đá khoảng 2,7–2,5 tỷ năm trước được giải thích là dấu vết của những đợt sương mù như thế. Đây là giả thuyết có cơ sở, chưa phải kết luận.

Ngày ngắn, Mặt Trăng gần

Thời ấy Mặt Trăng ở gần hơn và Trái Đất quay nhanh hơn, nên một ngày ngắn hơn đáng kể. Thuỷ triều mạnh hơn. Còn Mặt Trời lại mờ hơn hiện nay khoảng một phần tư đến gần một phần ba – điều tưởng như phải làm biển đóng băng, nhưng đá cổ lại cho thấy nước vẫn lỏng.

Mốc thời gian: từ khí tinh vân đến oxy đầu tiên

• ~4,54 tỷ năm trước: Trái Đất hình thành; có thể có lớp khí sơ cấp hydro – heli.
• ~4,5 tỷ năm trước: va chạm lớn được cho là tạo ra Mặt Trăng; lớp khí đầu tiên mất phần lớn.
• ~4,4 tỷ năm trước: zircon Jack Hills gợi ý đã có nước lỏng.
• ~4,1–3,8 tỷ năm trước: giai đoạn thiên thạch rơi dày (Đợt Bắn phá Muộn); quy mô và cả sự tồn tại của nó còn đang bị xem xét lại.
• ~3,5 tỷ năm trước: các thảm vi sinh hoá đá (stromatolite) cổ ở Tây Úc; sự sống đã có mặt.
• ~2,4–2,1 tỷ năm trước: Sự kiện Ôxy hoá lớn – oxy bắt đầu tích tụ trong không khí (mốc chính xác còn tranh luận).

Vì sao chuyện này quan trọng với sự sống

Không có oxy cũng có nghĩa là không có tầng ozone. Tia cực tím chiếu thẳng xuống mặt đất và mặt biển. Với sinh vật, đó là môi trường khắc nghiệt; nhưng với hoá học tiền sự sống, năng lượng tia UV lại có thể là nguồn lực thúc đẩy phản ứng tạo ra phân tử hữu cơ. Một khí quyển có oxy sẽ "đốt" các phân tử ấy trước khi chúng kịp tích luỹ.

Nói cách khác, sự sống có lẽ chỉ khởi đầu được nhờ một bầu trời không có thứ khí mà ngày nay ta không sống thiếu được. Rồi chính sự sống – qua vi khuẩn lam – lại thay đổi bầu trời ấy vĩnh viễn.

Góc nhìn hôm nay: đọc khí quyển cổ ở đâu

• Bảo tàng Địa chất Việt Nam (6 Phạm Ngũ Lão, Hà Nội) trưng bày đá, khoáng vật và hoá thạch, giúp hình dung cách các nhà địa chất "đọc" thời gian trong đá.
• Thảm vi sinh stromatolite còn sống ở Hamelin Pool, vịnh Shark Bay (Tây Úc) là hình ảnh gần nhất với bờ biển Trái Đất thời không có oxy.
• Muốn đọc sâu: chương về Thái Cổ trong các giáo trình địa chất lịch sử; trang NASA Earth Observatory và NASA Astrobiology có loạt bài dễ đọc về khí quyển sớm.
• Nhìn sang Titan và sao Kim: hai thế giới này là "phòng thí nghiệm" để kiểm tra các ý tưởng về sương mù mê-tan và khí quyển giàu CO₂.