Musimy więc najpierw odpowiedzieć sobie na pytanie jak powstał nasz układ słoneczny. Miało to miejsce dokładnie 4.568 Ga temu, z mgławicy pozostałej prawdopodobnie po wybuchu supernowej powstał dysk akretacyjny, z którego w wyniku działania grawitacji powstaje młoda gwiazda - nasze Słońce. Około 4.6 Ga temu istniała już protoplaneta, aby jednak uformowała się wstępna młoda Ziemia potrzeba było troch czasu i tak około 4.54 Ga temu z niepewnością 1% powstała młoda planeta. W okolicach powstającego układu słonecznego mnóstwo było pyłu i gazu, jednak rozgrzana już młoda gwiazda oczyściła wiatrem słonecznym okolicę z tych nieczystości.
Dziś możemy zadać pytanie typu "Dlaczego Ziemia ma płynne jądro", odpowiedź właśnie leży w tym okresie w którym teraz jesteśmy, po oczyszczeniu okolicy z "pomniejszych śmieci", Ziemia mogła być bombardowana przez różnej pozostałe, większe ciała niebieskie takie jak meteoryty, ponieważ nie miała atmosfery oraz nadal się była bardzo gorąca. Na tyle gorąca aby metale z których się składała znajdowały się w postaci płynnej. Jak wiemy ciecz układa się względem gęstości, tak właśnie się stało z pierwotną Ziemią. Żelazo i nikiel jako metale cięższe spłynęły dalej w głąb Ziemi, natomiast lżejsze metale utrzymały się na powierzchni. Cięższe metale po prostu opadły w głębsze warstwy planety, która potem się schładzając uzyskała warstwową budowę (płaszcz, jądro etc.).

Dlaczego jednak Ziemia była taka gorąca? Wspominałem już o braku atmosfery i stałych bombardowaniach meteorytami, ale istotne było też to, że na jej powierzchni zachodziły liczne reakcje promieniotwórcze, mogło się tak dziać z powodu obecności najróżniejszych materiałów z przestrzeni kosmicznej. Samo formowanie się Ziemi, też wytwarzało ogromne ilości ciepła, gdyż jak wiemy ścieranie się materiałów = tarcie, a tarcie powoduje grzanie się trących materiałów. Tarcie było wywołane grawitacją.

Wczesna Ziemia z czasem posiadała pewną wątłą atmosferę. Składała się ona głównie z wodoru i helu. Nie mogła ona być zbt gruba, większość gazów było rozwiewanych przez gaz słoneczny a także ciepło samej Ziemi. Wcześniej opisywane zjawisko tzw. "katastrofa żelazna" (wolne tłumaczenie z angielskiego pojęcia "Iron catastrophe") spowodowała podzielenie się wnętrza planety na warstwy względem gęstości pierwiastków, stąd dzisiejsza budowa wnętrza Ziemi (NiFe, SiAl, SiMa).  Zwiększająca się temperatura z czasem była na tyle wysoka, że powstała nowa atmosfera złożona głównie z gazowego dwutlenku krzemu (SiO₂) który później wraz z ochładzaniem się planety utworzy powierzchnię składem bardzo podobnym do dzisiejszego. Ziemia ma tutaj około 40% dzisiejszego promienia. Możemy się zapytać jak wyglądała ówczesna planeta Ziemia, każdy z pewnością chciałby móc ją zobaczyć.

Odpowiedź jest prosta i każdy może ją mniej więcej zobaczyć. Wystarczy spojrzeć na współczesną planetę Wenus, a dokładniej jej powierzchnię. Oczywiście nie miała tak gęstej atmosfery, a powierzchnia jej była płynna ale czynny wulkanizm i ogromne temperatury determinują, że była trochę podobna do Wenus.

Około 4.54Ga temu rozpoczął się pierwszy praeon w dziejach Ziemi zwany dziś "Hadeik". Początkowy i środkowy hadeik bardzo przypomina opisami to co działo się wcześniej, czyli:

• brak tlenu
• ogromna temperatura
• nadal płynna powierzchnia
• planeta nadal bombardowana przez ciała kosmiczne typu meteoryty itd.
• silne promieniowanie kosmiczne
• z atmosfery znikają pod wpływem ciepła i wiatru słonecznego całkowicie hel i wodór a zostają cięższe pierwiastki.

W późniejszym hadeiku nastąpił prawdziwy przełom. Promień Ziemi zwiększył się do wartości ponad 40% obecnej wartości, gdyż z bombardowania przez ciała niebieskie przybywało na planecie materii a co za tym idzie masy. Grawitacja więc się zwiększyła, co umożliwiło zatrzymywanie na powierzchni Ziemi wody (wcześniej w postaci pary wodnej dostawała się do atmosfery skąd była wywiewana przez wiatr słoneczny i ciepło samej Ziemi). Teraz grawitacja stała się na tyle silna by przytrzymać parę wodną w atmosferze. Zwiększająca się ilość wody spowodowała dalszy przełom - ochłodzenie się Ziemi i powstanie twardej skorupy Ziemskiej, która była bardzo cienka (przy niektórych większych uderzeniach ciał niebieskich topiła się, ale jednak była). Nadal panował intensywny wulkanizm, a skał czy jakichkolwiek pozostałości geologicznych po tym okresie niemalże nie ma (bardzo nieliczne), gdyż powierzchnia nadal była bombardowana ciałami pochodzenia kosmicznego.

Dalsze wydarzenia mają miejsce około 4.52Ga temu, wydawać by się mogło, że będzie to dalszy powolny rozwój i upodobnianie się planety do takiej jaką jest dzisiaj, tak się jednak nie stało, gdyż wydarzyło się coś nieoczekiwanego. To co się wydarzyło, odpowiada też na ciekawe pytanie "Jak powstał księżyc?".

 

Hipoteza Wielkiego Zderzenia

Na temat powstania księżyca było wiele hipotez, mniej lub bardziej prawdopodobnych. Jak np. hipoteza wybrzuszenia w której z płynnej Ziemi wybrzusza się i ulatuje w przestrzeń kosmiczną księżyc, czy hipoteza przechwycenia w której księżyc został jako ciało obce przechwycony przez ziemską grawitację (ta jest z pewnością niepoprawna gdyż skład chemiczny Ziemi i Księżyca jest bardzo podobny). Najprawdopodobniejszą hipotezą jest jednak Hipoteza Wielkiego zderzenia, która wyjaśnia także część procesu formowania się Ziemi.

Mówi ona, że około 4.52 Ga temu nastąpiło wielkie zderzenie Ziemi z planetą Theia, której orbita była bliska orbicie Ziemi, była to planeta wielkości Marsa. Zderzenie zaszło, gdyż pod wpływem grawitacji te dwa ciała położone na bliskich sobie orbitach stale się zbliżały. Ta katastrofa dla Ziemi, niemalże ją zniszczyła, z wielu wyrzucony w przestrzeń odłamków planety powstał księżyc a Ziemia musiała uformować się na nowo. Zaszło to niezwykle szybko,  gdyż już w mniej niż 100 milionów lat Ziemia uformowała się do etapu zbliżone do tego sprzed zderzenia, księżyc uformował się w podobnym czasie. Obecny kąt nachylenia Ziemi zawdzięczamy właśnie temu wydarzeniu.

 

Ponieważ Ziemia straciła atmosferę podczas Wielkiego Zderzenia, schładzanie powierzchni musiało następować szybko. W przeciągu kolejnych 150 milionów lat utworzyła się skorupa głównie ze skał bazaltowych oraz druga w historii atmosfera Ziemi składająca się z pary ze skał i gazów wulkanicznych. Ktoś może zadać pytanie: "mamy bazalt, żelazo, dwutlenek krzemu, inne minerały, ale skąd na Ziemi się wzięły oceany, skąd na Ziemi tyle wody, tyle tlenu, tyle azotu?"

Odpowiedź: Z komet

Nie zapominajmy, że Ziemia cały czas jest bombardowana licznymi asteroidami, planetoidami, meteorytami a nawet kometami. I nie jest to 10 lat, czy 100 lat czy nawet 200 lat. Są to SETKI MILIONÓW lat stałego bombardowania najróżniejszym materiałem, który nie spala się w atmosferze bo niemal nie ma atmosfery!

A więc większość wody zawartej na Ziemi pochodzi z innych ciał niebieskich bombardujących Ziemie, całe oceany wody. Widzimy, że komety przyniosły nam różnorodny materiał ? w tym azot, tlen, dwutlenek węgla, metan, amoniak i przede wszystkim wodę.

Istniały także inne hipotezy wyjaśniające pochodzenie wody na Ziemi, w tym hipoteza odparowania części płaszcza, nie są one jednak już dziś potrzebne, gdyż symulacje komputerowe pokazują, że woda z komet wystarczyła aby zapełnić oceany.

Około 4.3 Ga temu zderzenia z ciałami niebieskimi, które przynoszą nowe substancje zaczęły doprowadzać do schłodzenia Ziemi (komety są zimne składają się głównie z lodu i suchego lodu-  zamarzniętego dwutlenku węgla), przede wszystkim wzrastająca ilość wody się do tego przyczyniła, zgodnie z tymi znanymi nam prawami przyrody woda parując odbiera ogromne ilości ciepła, tym samym schładzała powierzchnię - tworzyła chmury a potem opady deszczu i cały cykl chłodzący zachodził dalej. W ten właśnie sposób 4.3 Ga temu powstały pierwsze oceany.

4.2 Ga temu dzięki kometom, zwiększającym się ilością wody i opadom deszczu zmienił się drastycznie skład atmosfery. Przede wszystkich stała się ona dużo gęstsza. Co do składu to dominująca jest para wodna której zawartość wraz z ochładzaniem się planety cały czas spada, dwutlenek węgla którego jest dużo i nadal przybywa, azot i trochę innych gazów. Duże ilości CO₂ w atmosferze mimo niewielkiej mocy słońca (70% obecnej) powodują efekt cieplarniany a co za tym idzie powierzchnia planety jest grzana dodatkowo (mimo chłodzenia przez wodę). Nadal wysoki wulkanizm i dzięki braku warstwy ozonowej silne promieniowanie kosmiczne.

 

Ktoś mógłby się zapytać, skąd wzięły się te komety z których planeta uzyskała tyle wody, odpowiedź jest prosta - nasz układ słoneczny znajduje się w obłoku Oorta, gdzie jest ich miliardy.

Ok, ktoś inny może zapytać skąd te komety wzięły tyle wody do swojego składu. Odpowiedź jest prosta dominujące pierwiastki we wszechświecie to wodór i hel, one jednak nie łączą się ze sobą, na trzecim miejscu znajduje się tlen - który łączy się z wodorem. Stąd we wszechświecie wody jest aż tyle.

 

Wracajmy jednak do głównego tematu. Około 4.0 Ga temu nasza planeta przeżyła być może najważniejsze wydarzenie w historii.

Ruchu konwekcyjne płynnych części warstw Ziemi (głównie magmy z zewnętrznego płaszcza) przy wysokiej temperaturze planety były znacznie silniejsze niż dzisiaj. Na tyle silne aby pierwszych wybrzuszeń płyt tektonicznych dokonać jeszcze w Hadeiku, niestety Wielkie Zderzenie uniemożliwiło dalsze tworzenie wybrzuszenia. Teraz jednak dalsze ruchy konwekcyjne wybrzuszyły na tyle niektóre płyty tektoniczne Ziemi aby powstały pierwsze kontynenty. Pierwszym takim superkontynentem była Vaalbara.

 

3.5 Ga temu - narodziny życia
Ziemia dalej się ochładzała, wody przybywało, CO2, N2 też przybywało, kolejne kontynenty się piętrzyły.

• Temperatura powierzchni wynosiła 100 C.
• Wulkanizm nadal był powszechny.

Mimo tych nieprzyjaznych warunków w tym właśnie czasie powstało życie.
Czego potrzebowało wczesne życie:

• związków organicznych, które powstawały w oceanach z azotu, tlenu, dwutlenku węgla, wody, amoniaku ? których przecież było pod dostatkiem (oprócz tlenu)
• energii, swoistego bodźca do rozpoczęcia się procesów życiowych ? mógł to być piorun, lub gradient temperatury albo nawet aktywny wulkanizm
• multiplikatora, czegoś co będzie stanie powielać siebie samego, mogło to być RNA, które mogło powstać z złożonych związków organicznych

Wszystko to było w mniejszych lub większych ilością na dawnej Ziemi. Tak czy inaczej, powstały pierwsze proste, nieznane nam dzisiaj organizmy, które mogły się rozmnażać, a co za tym idzie ewoluować.
Dalej ewolucja już zrobiła swoje, najtrudniej powstać było wielokomórkowcom - potrzebne było wchłonięcie jednego organizmu przez drugi, które jednocześnie musiało okazać się pożyteczne dla obu organizmów. W historii dalszego formowania się naszej planety były liczne wymierania jak choćby kredowe wymieranie od meteorytu - które też w mniejszym lub większym stopniu wpłynęły na formowanie się Ziemi, a w ogromnym stopniu na jej biosferę.
Według niektórych wyliczeń, życie mogło powstać jeszcze wcześniej ? nawet 4.0 Ga temu, nie ma na to jednak bezpośrednich dowodów.

Istnieje też inna teoria co do narodzin życia.

Panspermia (wszechnasienie) ?zakłada, że to komety przenoszące odłamki planet pochodzących ze zderzeń z tymi planetami przenoszą w ten sposób życie. A więc być może całe życie na ziemi pochodzi z innej planety! Widzimy więc jak wiele być może zawdzięczamy kometom!

Aby do końca wyjaśnić dlaczego Ziemia dzisiaj jest jaka jest, należy jednak odpowiedzieć jeszcze na dwa pytania, które jednocześnie ukażą nam, że owa biosfera miała (nie tylko ma nadal, ale miała w przeszłości) też ogromny wpływ na to jaka nasza planeta jest dzisiaj.

Skąd tyle tlenu na Ziemi?

Atmosfera gdy powstało życie na Ziemi składała się głównie z CO2, bakterie ewoluujące ?zauważyły? że opłaca się przeprowadzać fotosyntezę, więc pobierając dwutlenek węgla się rozwijały, były to bakterie beztlenowe.

• Bakterie te produkowały w zamian tlen, było ich tak niewiarygodnie dużo, oraz produkowały tak długi czas, że "przerobiły" niemal cały dwutlenek węgla na tlen i zaczęło się ich masowe wymieranie.
• Na drodze ewolucji powstały bakterie tlenowe, które wykorzystywały tlen, dalsza ewolucja i rozwój i mamy stan dzisiejszy.

 

Skąd się wzięła warstwa ozonowa?

Odpowiedź jest bardzo prosta ? z tlenu.

Gdy bakterie beztlenowe przerabiały dwutlenek węgla na tlen, większość z niego na początku wiązała się z minerałami. Gdy było go dużo, zaczął dominować w atmosferze. Z czasem było go na tyle dużo, że pod wpływem jonizacji cześć jego zamieniła się w ozon, w związku z różnicą gęstości powstała z tego ozonu warstwa ozonowa.

Jak widzimy formowanie się Ziemi był to proces bardzo złożony na który miało wpływ bardzo wiele czynników od tak silnych i spektakularnych jak katastrofy kosmiczne do tak delikatnych i subtelnych jak proces oddychania bakterii beztlenowych. To, że Ziemia jest dzisiaj jaka jest zawdzięczamy także wielu przypadkom, zdarzeniom losowym i nieoczekiwanym zwrotom akcji, powinniśmy być wdzięczni, że się udało i jednocześnie zainteresowani tym procesem dzięki któremu żyjemy i możemy poznawać go poprzez badania, symulacje komputerowe i różnych typów relikty przeszłości.

 

Bibliografia
Opracowano na podstawie źródeł anglojęzycznych, przede wszystkim http://en.wikipedia.org.
Wyszczególniając:

1. http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_Earth
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Hadean
3. http://en.wikipedia.org/wiki/Archaean
4. http://en.wikipedia.org/wiki/Planetary_differentiation
5. http://en.wikipedia.org/wiki/Moon#Origin_and_geologic_evolution
6. http://en.wikipedia.org/wiki/Giant_impact_hypothesis
7. http://en.wikipedia.org/wiki/Formation_and_evolution_of_the_Solar_System
8. http://en.wikipedia.org/wiki/Geological_history_of_Earth
9. Wiedza własna

Opracował: Paweł Troka