Adembenemend: hoe de aarde haar huidige atmosfeer kreeg

De eerste atmosfeer

Ongeveer 4,56 miljard jaar geleden is de aarde geboren, maar het was toentertijd nog niet de prachtige planeet die we nu kennen. Het oppervlak van de aarde was nog enorm heet en de atmosfeer bestond uit een verstikkend mengsel van waterstof- en heliummoleculen, die enorm licht van gewicht zijn. Door de hitte van de aarde, maar ook van de zon, trilden deze moleculen zeer snel, zelfs zo snel dat ze konden ontsnappen naar de ruimte. De moleculen die niet uit zichzelf ontsnapten, werden meegenomen door intense zonnewinden.

De net gevormde aarde is enorm heet, waardoor de helium- en waterstofmoleculen heel snel trillen en ontsnappen naar de ruimte (bron: NOAA/JPL-Caltech)

De tweede atmosfeer

Het oppervlak van de aarde koelde verder af, waardoor er een korst ontstond op de zeer hete planeet. Bij het ontstaan van de aardkorst kwam zeer veel vulkanisme kijken, waardoor er veel nieuwe gassen vrijkwamen. Pas toen het aardmagneetveld was gevormd en zonnewinden werden afgewend, konden deze gassen zich ophopen en een volwaardige atmosfeer vormen. 

De gassen die zich vanaf toen ophoopten in de atmosfeer komen tegenwoordig ook vrij bij vulkaanuitbarstingen. Het overgrote deel, zo’n 70 tot 90%, bestaat uit waterdamp. Maar er komen ook andere gassen vrij, zoals zwaveldioxide, stikstof, ammoniak en het welbekende broeikasgas koolstofdioxide. Destijds zat er tien tot tweehonderd keer meer koolstofdioxide in de atmosfeer dan tegenwoordig. Waar is het gebleven?

Veruit de meeste koolstofdioxide loste uiteindelijk op in vloeibaar water, wat eerder nog niet aanwezig was op aarde. Daarvoor moest het aardoppervlak eerst nog verder afkoelen, zodat condensatie van de waterdamp mogelijk werd. Deze condensatie zorgde, net zoals dat tegenwoordig gebeurt, voor neerslag. De hoeveelheden neerslag werden zelfs zo groot, dat de oceanen werden opgevuld met water. De oceanen dienen dan ook als enorm grote reservoirs voor koolstofdioxide. 

De hoge vulkanische activiteit stoot enorm veel gassen uit, waaronder ammoniak en koolstofdioxide. De koolstofdioxide lost uiteindelijk op in de oceaan (bron: NOAA/JPL-Caltech).

De eerder genoemde ammoniak bleef echter ook niet in de atmosfeer zitten. De ultraviolette zonnestraling brak de ammoniakmoleculen namelijk op in waterstof- en stikstofatomen. De enorm lichte waterstofatomen ontsnapten uiteindelijk naar de ruimte en de stikstofatomen zochten tweetallen op, waardoor er moleculaire stikstof ontstond die in de atmosfeer bleef hangen.

De hoeveelheden waterdamp en koolstofdioxide namen dus af, terwijl de hoeveelheid stikstof toenam. De overgebleven koolstofdioxide in de atmosfeer dient als broeikasgas, die warmte vasthoudt aan het aardoppervlak waardoor dit niet te ver afkoelt. De samenstelling van de atmosfeer begint al heel erg te lijken op onze huidige atmosfeer, maar er mist nog een heel belangrijk gas: zuurstof. 

De derde, tevens moderne, atmosfeer

De oceanen zijn vanaf nu gevuld met vloeibaar water en opgeloste koolstofdioxide, en ontvangen nog altijd energie van de zon. Deze ingrediënten bleken de perfecte combinatie voor cyanobacteriën om ongeveer 2,7 miljard jaar geleden te ontstaan. Dit zijn bacteriën die aan fotosynthese doen, wat betekent dat ze koolstofdioxide opnemen en zuurstof uitstoten. Deze zuurstof loste in eerste instantie ook op in het water, totdat alle waterreservoirs op aarde genoeg zuurstof hadden opgenomen. Dit markeert het moment dat zuurstof zich begon op te hopen in de atmosfeer.

De hoeveelheid zuurstof nam heel langzaam toe, terwijl de hoeveelheid koolstofdioxide steeds verder afnam. Pas 600 miljoen jaar geleden was er genoeg zuurstof in de atmosfeer terechtgekomen om de lucht adembaar te maken, waardoor de derde en moderne atmosfeer is ontstaan. Maar dit alleen was nog steeds niet genoeg om leven op land mogelijk te maken. Zonnestraling bevat namelijk ook kortgolvige straling, die zeer gevaarlijk is voor het leven op aarde.

Gelukkig is er een molecuul dat dit tegen kan houden, namelijk ozon. En laat ozon nou toevallig uit zuurstof ontstaan. De zonne-energie breekt namelijk de zuurstofmoleculen op in zuurstofatomen, waarna die in clusters van drie het ozonmolecuul kunnen vormen. Nu de ozon de kortgolvige straling tegenhoudt, kan het leven zich ook ontwikkelen op het land.

Door toevoeging van zuurstof aan de atmosfeer via fotosynthese, gestart door de cyanobacteriën in de oceanen en later ondersteund door planten op het land, kon er leven op aarde ontstaan (bron: NOAA/JPL-Caltech)

De atmosfeer heeft dus een zeer lange weg afgelegd om te worden wat ze nu is. Van een verstikkend mengsel van waterstof- en heliummoleculen, tot de ophoping van vulkanische gassen en de toevoeging van zuurstof. De geschiedenis van de atmosfeer is werkelijk adembenemend.