Terwijl het puin van het zonnestelsel samensmolt tot de planeten die nu rond de zon cirkelen, vormden de meeste van de lichtste gassen een korte, dunne atmosfeer rond de draaiende bal van rotsen die de aarde werd.
Sindsdien is de sfeer veranderd en blijft het zich aanpassen aan het leven. De systemen van de aarde blijven vandaag net zo dynamisch als tijdens die vroege geschiedenis van de aarde.
De vroegste atmosfeer op aarde
De vroegste atmosfeer van de aarde dateert van vóór of valt misschien samen met de uiteindelijke accumulatie van materiaal dat nu de planeet vormt. Waterstof, helium en waterstofhoudende verbindingen omringden kort de vormende aarde.
Een deel van deze lichte gassen, overblijfselen van de zon, ontsnapte aan de zwaartekracht van de aarde. De aarde had haar ijzeren kern nog niet ontwikkeld, dus zonder beschermend magnetisch veld blies de krachtige zonnewind van de zon de lichtelementen rond de proto-aarde weg.
De tweede atmosfeer van de aarde
De tweede laag gassen die de aarde omringde, zou misschien wel de eerste "echte" atmosfeer van de aarde kunnen worden genoemd. De draaiende bal van gesmolten materiaal, ontwikkeld uit puin van het zich vormende zonnestelsel, borrelde en kolkte. Radioactief verval, wrijving en restwarmte hielden de aarde een half miljard jaar in gesmolten toestand.
Gedurende die tijd zorgden dichtheidsverschillen ervoor dat de zwaardere elementen van de aarde naar de zich ontwikkelende kern van de aarde zonken en lichtere elementen naar het oppervlak stegen. Bij vulkaanuitbarstingen kwamen gassen vrij en de vorming van een atmosfeer begon.
De atmosfeer van de aarde is gevormd door de gassen die vrijkomen door de constante vulkanische activiteit. Het gasmengsel zou veel lijken op de samenstelling die vrijkomt tijdens moderne vulkaanuitbarstingen. Deze gassen omvatten:
- Waterdamp
- Kooldioxide
- Zwaveldioxide
- waterstofsulfide
- Koolmonoxide
- Zwavel
- Chloor
- Stikstof
- Stikstofverbindingen zoals ammoniak, waterstof en methaan
Het gebrek aan roest in vroege ijzerrijke rotsen toont aan dat er geen vrije zuurstof was tussen de gassen in de vroege atmosfeer van de aarde.
Toen de aarde afkoelde en gassen zich ophoopten, begon de waterdamp uiteindelijk te condenseren tot dikke wolken en begonnen de regens. Deze regen hield miljoenen jaren aan en vormde uiteindelijk de eerste oceaan op aarde. De oceaan is sindsdien een integraal onderdeel van de geschiedenis van de atmosfeer.
De derde formatie van de atmosfeer op aarde
Wanneer we de vroege atmosfeer van de aarde vergelijken met de huidige, zijn er grote verschillen duidelijk. Maar de verandering van een reducerende atmosfeer, giftig naar de meeste moderne levensvormen, naar de huidige zuurstofrijke atmosfeer duurde ongeveer 2 miljard jaar, bijna de helft van de levensduur van de aarde.
Fossiel bewijs toont aan dat de vroegste levensvormen op aarde bacteriën waren. cyanobacteriën, die bacteriën zijn die in staat zijn tot fotosynthese, en chemosynthetische bacteriën die worden aangetroffen in diepzee-openingen gedijen in een zuurstofarme atmosfeer.
Dit soort bacteriën zou kunnen gedijen in de tweede atmosfeer van de aarde. Er zijn aanwijzingen dat ze lange tijd goed gedijen, kooldioxide met plezier omzetten in voedsel en zuurstof als afvalproduct vrijgeven.
Aanvankelijk combineerde de zuurstof met ijzerrijke rotsen, waardoor de eerste roest in het gesteente ontstond. Maar uiteindelijk overtrof de vrijgekomen zuurstof het vermogen van de natuur om te compenseren. De cyanobacteriën verontreinigden geleidelijk hun omgeving met zuurstof en zorgden ervoor dat de huidige atmosfeer van de aarde zich ontwikkelde.
Terwijl de cyanobacteriën zuurstof produceren, breekt zonlicht de ammoniak in de atmosfeer af. Ammoniak valt uiteen in stikstof en waterstof. De stikstof bouwde zich geleidelijk op in de atmosfeer, maar de waterstof ontsnapte, net als de eerste atmosfeer van de aarde, geleidelijk de ruimte in.
De huidige atmosfeer van de aarde
Ongeveer 2 miljard jaar geleden vond de overgang plaats van de vulkanische gasatmosfeer naar de huidige stikstof-zuurstofatmosfeer. De zuurstof-koolstofdioxide-verhouding fluctueerde in het verleden en bereikte een zuurstofrijk hoogtepunt van ongeveer 35 procent tijdens de Carboon periode (300-355 miljoen jaar geleden) en een zuurstoftekort van ongeveer 15 procent tegen het einde van de Perm periode (250 miljoen jaar geleden).
De moderne atmosfeer bevat ongeveer 78 procent stikstof, 21 procent zuurstof, 0,9 procent argon en 0,1 procent andere gassen, waaronder waterdamp en koolstofdioxide. Deze verhouding, met enkele schommelingen in de zuurstof-koolstofdioxide-verhouding, heeft de ontwikkeling van het leven op aarde mogelijk gemaakt.
Omgekeerd handhaven de interacties tussen fotosynthetiserende planten en ademende dieren de huidige atmosferische verhouding van gassen.