บรรยากาศแรกของโลกประกอบด้วยก๊าซอะไร?

ในขณะที่เศษซากของระบบสุริยะรวมตัวกันเป็นดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ ก๊าซที่เบาที่สุดส่วนใหญ่ก่อตัวเป็นชั้นบรรยากาศบางๆ ในช่วงเวลาสั้นๆ รอบก้อนหินหมุนที่กลายเป็นโลก

ตั้งแต่นั้นมาบรรยากาศก็เปลี่ยนไปและยังคงปรับให้เข้ากับชีวิต ระบบของโลกยังคงมีพลวัตในทุกวันนี้ เช่นเดียวกับในช่วงประวัติศาสตร์โลกยุคแรกๆ

ชั้นบรรยากาศที่เก่าแก่ที่สุดของโลก ถือกำเนิดหรืออาจจะเกิดขึ้นพร้อมกับการสะสมของวัสดุขั้นสุดท้ายที่ตอนนี้ก่อตัวเป็นดาวเคราะห์ สารประกอบที่ประกอบด้วยไฮโดรเจน ฮีเลียม และไฮโดรเจนล้อมรอบโลกที่กำลังก่อตัวอยู่ชั่วครู่

ส่วนหนึ่งของก๊าซเบาเหล่านี้ ซึ่งเหลือจากดวงอาทิตย์ หนีจากแรงโน้มถ่วงของโลก โลกยังไม่ได้พัฒนาแกนเหล็กของมัน ดังนั้นหากไม่มีสนามแม่เหล็กป้องกัน ลมสุริยะอันทรงพลังของดวงอาทิตย์จึงพัดเอาองค์ประกอบแสงที่อยู่รอบๆ โปรโต-โลกออกไป

ชั้นที่สองของก๊าซที่ล้อมรอบโลกอาจเรียกได้ว่าเป็นชั้นบรรยากาศ "ของจริง" แห่งแรกของโลก ลูกหมุนของวัสดุหลอมเหลวพัฒนาจากเศษซากของระบบสุริยะที่ก่อตัวขึ้นเป็นฟองและปั่นป่วน การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี การเสียดสี และความร้อนตกค้างทำให้โลกอยู่ในสภาพหลอมละลายเป็นเวลาครึ่งพันล้านปี

ในช่วงเวลานั้น ความแตกต่างของความหนาแน่นทำให้องค์ประกอบที่หนักกว่าของโลกจมลงสู่แกนกลางที่กำลังพัฒนาของโลก และองค์ประกอบที่เบากว่าพุ่งขึ้นสู่พื้นผิว การปะทุของภูเขาไฟปล่อยก๊าซและการก่อตัวของชั้นบรรยากาศก็เริ่มขึ้น

ชั้นบรรยากาศของโลกเกิดจากก๊าซที่ปล่อยออกมาจากการระเบิดของภูเขาไฟอย่างต่อเนื่อง ส่วนผสมของก๊าซจะเหมือนกับองค์ประกอบที่ปล่อยออกมาระหว่างการระเบิดของภูเขาไฟในปัจจุบัน ก๊าซเหล่านี้รวมถึง:

• ไอน้ำ
• คาร์บอนไดออกไซด์
• ซัลเฟอร์ไดออกไซด์
• ไฮโดรเจนซัลไฟด์
• คาร์บอนมอนอกไซด์
• กำมะถัน
• คลอรีน
• ไนโตรเจน 
• สารประกอบไนโตรเจน เช่น แอมโมเนีย ไฮโดรเจน และมีเทน 

การไม่มีสนิมในหินที่อุดมด้วยธาตุเหล็กในยุคแรกแสดงให้เห็นว่าไม่มีออกซิเจนอิสระท่ามกลางก๊าซในชั้นบรรยากาศยุคแรกๆ ของโลก

เมื่อโลกเย็นตัวลงและมีก๊าซสะสม ในที่สุดไอน้ำก็เริ่มควบแน่นเป็นเมฆหนา และฝนก็เริ่มขึ้น ฝนนี้ต่อเนื่องเป็นเวลาหลายล้านปี ในที่สุดก็ก่อตัวเป็นมหาสมุทรแห่งแรกของโลก ตั้งแต่นั้นมา มหาสมุทรเป็นส่วนสำคัญของประวัติศาสตร์ชั้นบรรยากาศ

เมื่อเราเปรียบเทียบชั้นบรรยากาศในยุคแรกๆ ของโลกกับบรรยากาศในปัจจุบัน ความแตกต่างที่สำคัญนั้นชัดเจน แต่การเปลี่ยนแปลงจากชั้นบรรยากาศที่ลดลง ซึ่งเป็นพิษต่อรูปแบบชีวิตสมัยใหม่ส่วนใหญ่ เป็นบรรยากาศที่อุดมด้วยออกซิเจนในปัจจุบันใช้เวลาประมาณ 2 พันล้านปี เกือบครึ่งหนึ่งของอายุขัยของโลก

หลักฐานฟอสซิลแสดงให้เห็นว่าสิ่งมีชีวิตที่เก่าแก่ที่สุดในโลกคือแบคทีเรีย ไซยาโนแบคทีเรียซึ่งเป็นแบคทีเรียที่สามารถสังเคราะห์แสงได้ และแบคทีเรียสังเคราะห์เคมีที่พบในช่องระบายอากาศใต้ทะเลลึกจะเจริญเติบโตในบรรยากาศที่ขาดออกซิเจน

แบคทีเรียประเภทนี้สามารถเจริญเติบโตได้ในชั้นบรรยากาศที่สองของโลก หลักฐานแสดงให้เห็นว่าพวกมันเจริญเติบโตเป็นเวลานาน โดยเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นอาหารอย่างมีความสุข และปล่อยออกซิเจนเป็นของเสีย

ในตอนแรก ออกซิเจนรวมกับหินที่อุดมด้วยธาตุเหล็ก ทำให้เกิดสนิมขึ้นเป็นครั้งแรกในบันทึกของหิน แต่ในที่สุดออกซิเจนที่ปล่อยออกมาก็เกินความสามารถของธรรมชาติในการชดเชย ไซยาโนแบคทีเรียค่อยๆ ปนเปื้อนสิ่งแวดล้อมด้วยออกซิเจน และทำให้ชั้นบรรยากาศของโลกในปัจจุบันพัฒนาขึ้น

ในขณะที่ไซยาโนแบคทีเรียกำลังปั่นออกซิเจน แสงแดดก็ทำลายแอมโมเนียในชั้นบรรยากาศ แอมโมเนียสลายตัวเป็นไนโตรเจนและไฮโดรเจน ไนโตรเจนค่อยๆ ก่อตัวขึ้นในชั้นบรรยากาศ แต่ไฮโดรเจน ก็เหมือนกับชั้นบรรยากาศแรกของโลก ค่อยๆ หนีเข้าไปในอวกาศ

ประมาณ 2 พันล้านปีก่อน การเปลี่ยนแปลงจากบรรยากาศก๊าซภูเขาไฟไปเป็นบรรยากาศไนโตรเจน-ออกซิเจนในปัจจุบันได้เกิดขึ้น อัตราส่วนออกซิเจนต่อคาร์บอนไดออกไซด์ผันผวนในช่วงที่ผ่านมา โดยสูงถึงประมาณ 35 เปอร์เซ็นต์ในช่วงที่มีปริมาณออกซิเจนสูง ยุคคาร์บอนิเฟอรัส (300-355 ล้านปีก่อน) และออกซิเจนต่ำประมาณร้อยละ 15 ใกล้สิ้นสุด end ยุคเพอร์เมียน (250 ล้านปีก่อน)

บรรยากาศสมัยใหม่ประกอบด้วยไนโตรเจนประมาณ 78 เปอร์เซ็นต์ ออกซิเจน 21 เปอร์เซ็นต์ อาร์กอน 0.9 เปอร์เซ็นต์ และก๊าซอื่นๆ 0.1 เปอร์เซ็นต์ รวมทั้งไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ อัตราส่วนนี้ด้วยความผันผวนของอัตราส่วนออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์บางส่วนได้ทำให้เกิดการพัฒนาสิ่งมีชีวิตบนโลก

ในทางกลับกัน ปฏิกิริยาระหว่างพืชสังเคราะห์แสงและสัตว์ที่หายใจได้จะรักษาอัตราส่วนของก๊าซในชั้นบรรยากาศในปัจจุบัน