A földi légkör, az a gázokból álló réteg, amely ma lehetővé teszi az általunk ismert életet, drámaian átalakult az idők során. A sarkvidéki jégbe zárt ősi légbuborékok megbízható archívumot nyújtanak az elmúlt 6 millió év ilyen szempontú történéseiről, de ez a Föld történetének kevesebb mint 0,2%-a. Az ezt megelőző időszakokkal kapcsolatban, amelyekben az élet kialakult és elterjedt, a kutatók a légkör összetételére annak ősi kőzetekben megőrződött fémekre és ásványokra gyakorolt kémiai hatásaiból kellett következtetniük, legalábbis mostanáig.

Nemrégiben azonban egy kutatócsoport közvetlenebb megközelítést talált a problémára: a sókban, a kvarcerekben és a kristályosodott magmában szintén megrekedhetnek ősi folyadékcseppek és gázbuborékok, amelyek elemezhetők. A kutatók a mintákból eddig több mint 3 milliárd évre visszanyúlóan nyertek ki közvetlenül nemesgázokat, oxigént, nitrogént és szén-dioxidot. Ez nagy előrelépés a földi légkör történetének tanulmányozásában, mondja Morgan Schaller, a Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) geokémikusa, aki az egyik vonatkozó kutatást vezeti:

A kutatók által a kérdéses mintákból nyert eredmények nagy része még mindig előzetesnek számít, és további vizsgálatokat igényel. De az adatok máris igazolnak néhány érdekes feltételezést a légkör történetéről, míg másokat pedig cáfolnak. Schaller csoportja például nemrégiben közvetlen bizonyítékot talált arra, hogy az oxigénszint már jóval az első állatok megjelenése előtt (kevesebb mint 800 millió évvel ezelőtt) elég magas volt az állati légzéshez.

Zárványok nyomában

A légkör összetétele mindig is összefüggött az alatta lévő bolygó állapotával. Kezdetben, 4,5 milliárd évvel ezelőtt a Föld felszíne egy magmaóceán volt. Légköre akkor alakult ki, amikor a magmából gázok szivárogtak el, amelyet később vulkánkitörések, valamint aszteroidák és üstökösök becsapódásai is gazdagítottak. Idővel a nitrogén kezdett uralkodóvá válni az atmoszférában, mivel ez rendkívül stabil, és a hidrogénnel vagy héliummal ellentétben túl nehéz ahhoz, hogy elszökjön az űrbe.

Az, hogy ezután hogyan alakult ki a légkör összetétele, a mai napig rejtély, ezért is jönnek jól a közvetlen bizonyítékok. A geológusok már régóta tudják, hogy a kőzetek képesek a légkör egyes részeit megőrizni. A magma lehűlése során például a növekvő kristályokban zárványok formájában megőrződhetnek a környező folyadékok és gázok. Ezekhez az „időkapszulákhoz” azonban nem volt könnyű hozzáférni. „Az ember azt hinné, hogy az egész nagyon egyszerű, csak meg kell találni a gázt és elemezni” – mondja Raymond Burgess, a Manchesteri Egyetem geokémikusa. „De a dolgok sosem ennyire maguktól értetődőek, ha ilyen messzire tekintünk vissza a geológiai időben.”

A gázok kinyeréséhez a kutatók összezúzzák a vizsgált köveket. Egy vákuummal lezárt présben lépésről lépésre növelik a nyomást. A minta különböző részei különböző nyomásokon roppannak össze, így a csapdába esett gázok diszkrét pulzusokban szabadulnak fel, amelyeket elemzés céljából egy tömegspektrométerbe vezetnek. Ha ezt elég kővel ismétlik meg, elegendő gázt gyűjthetnek össze ahhoz, hogy értelmezni tudják az ősi nyomot. „A kulcs az, hogy őrült mennyiségeket kell összezúzni” – mondja Rita Parai, a Washington Egyetem geokémikusa. „Őrült” alatt mindössze 10 gramm kőzetet ért, de ennek beszerzése egyazon forrásból és időszakból egyáltalán nem könnyű feladat.

És ha megvan a megfelelő mennyiség, még akkor is szerencse kell ahhoz, hogy elegendő gázhoz jussanak az elemzéshez. Ebben az elsők között Bernard Marty, a Lotaringiai Egyetem geokémikusa járt sikerrel. A kutató a 2010-es évek elején kezdte vizsgálni a Nyugat-Ausztráliában található, több mint 3 milliárd évvel ezelőtt keletkezett kvarcerekben és baritkristály-lelőhelyeken található zárványokat. A zárványokban lévő nemesgázizotópok révén végzett radiometrikus kormeghatározás azt mutatta, hogy a talált minták egyforma idősek, így Marty csoportja végül meggyőzte a szkeptikusokat, hogy a mintákban valódi archaikumi levegő rejtőzik.

Cseppnyi pillanatképek

A nemesgázok a minták koránál többet is elárulhatnak. Mivel a gázok nem lépnek kémiai reakcióba más elemekkel, jó nyomjelzői a légkört befolyásoló fizikai folyamatoknak, például a vulkáni gázkibocsátásnak is. Guillaume Avice, a Párizsi Bolygófizikai Intézet munkatársa, aki Martyval együtt végezte tanulmányait, kollégáival az utóbbi időben a 11 kilométer széles Dhala becsapódási struktúrát vizsgálta Közép-Indiában, ahol egy nagy meteorit csapódott be mintegy 2 milliárd évvel ezelőtt.

A becsapódás után forró víz töltötte ki a kőzetek repedéseit, és az oldott ásványok végül hidrotermális achát formájában kicsapódtak. Az achát zárványaiból kivont nemesgázok, jelentették Avice és kollégái, az első légköri mintákat képviselik a proterozoikumból, az archaikum utáni időszakból. Avice elmondása szerint az argon-40 mennyisége alig haladta meg az archaikumi szintet, ami arra utal, hogy a vulkáni tevékenység több százmillió évig mérsékelt lehetett, ami a gázkibocsátás szünetelését okozta.

Ezek a gázok végső soron a földköpenyből származnak, és Parai csapata is megtalálta őket saját forrásuknál, a mai Grönland területéről származó kőzetekben. A kutatók egy 3 milliárd éves anortozitot elemeztek, egy olyan kristályosodott magmafajtát, amely akkor keletkezik, amikor egy óceáni árokban az egyik tektonikus lemez egy másik alá süllyed.

– mondja Parai. A Washington Egyetem végzős hallgatója, Samuel Patzkowsky nemesgázokat nyert ki a zárványból, amelyek szerinte és Parai szerint egyszerre származnak az ősi köpenyből és a levegővel keveredő tengervízből.

Schaller közben az ősi nitrogént, oxigént és más, az élet szempontjából fontos légköri komponenseket igyekszik nyomon követni. Ehhez a csoportja halitokat tanulmányoz: vagyis olyan, nagyon sekély tavakban lerakódott sókat, mint amilyeneket ma a Death Valleyben is láthatunk. Napközben, ahogy a víz felmelegszik, a só kikristályosodik, és a felszínen úszó rétegeket képez, amelyek a levegő és a víz cseppjeit is magukba zárják, megőrizve a gázokat. Ahogy a rétegekből kőzetek lesznek, a folyadékzárványok hosszú ideig fennmaradhatnak, mondja Schaller.

A dologban ugyanakkor problémás, hogy ha egy térbe zárnak levegőt és vizet, a levegő egy része feloldódik a vízben, ami torzítja az ősi légkör összetételével kapcsolatos méréseket. Ezért az elmúlt évtizedben Schaller kifejlesztett egy módszert, amellyel ezt a folyamatot számításba lehet venni.

Oxigéndús unalom?

Egy másik csoport, amelyet Nigel Blamey, a Western University geokémikusa vezet, szintén halitzárványokat tanulmányoz – megdöbbentő eredményekkel. A Geology című folyóiratban 2016-ban megjelent tanulmányukban a kutatók arról számoltak be, hogy 815 millió évvel ezelőtt a légkör 11% oxigént tartalmazott.

Mindkét eredmény jóval magasabb a vártnál. A hagyományos teória szerint az oxigén szintje, néhány rövid kiugró értéktől eltekintve, nagyon alacsony maradt egészen 800 millió évvel ezelőttig, és az oxigénszint emelkedése ekkortól nagyban segítette az állatok evolúcióját. Blamey munkáját ennek megfelelően sokan szkeptikusan fogadták, mondja Timothy Lyons, a Kaliforniai Egyetem biogeokémikusa.

Schaller főként azért vonja kétségbe Blamey eredményeit, mert azokat nem korrigálták az oldott gázra, ahogyan ő teszi. A Gondwana Research című folyóiratban 2024 decemberében megjelent tanulmányukban ő és Justin Park, az egyik tanítványa lefuttatták a korrekciót Blamey eredeti adatain. Úgy találták, hogy a légkör 815 millió évvel ezelőtt nem 11%, hanem 6,6% oxigént tartalmazott, ami még mindig magasabb, mint a közvetett becslések, de nem sokkal.

Az Amerikai Geológiai Társaság tavaly év végi ülésén Schaller és Park 1,4 milliárd évvel ezelőttre terjesztették ki saját „pillanatképeiket”. Ez pont belenyúlik abba a korábban „unalmasnak” titulált egymilliárd éves időszakba, amikor a kőzetlemezek mozgását és az éghajlatot stabilnak, az evolúciót pedig lassúnak gondolják a kutatók. Az Egyesült Államok és Kanada határán található Felső-tó északnyugati partjainál lévő lerakódásokból vett minták alapján 1%-os oxigénszintet találtak. Ez nem hangzik soknak, de jóval magasabb a vártnál. És ami még fontosabb, elegendő lehetett a korai állatok fejlődéséhez, még akkor is, ha ilyen régről nem maradtak fosszilis nyomok utánuk.