Không khí 1,4 tỷ năm trước có gì

Các bao chất lỏng mắc kẹt trong tinh thể. Ảnh: Justin Park.

Các nhà nghiên cứu phân tích các loại khí và chất lỏng bị mắc kẹt bên trong tinh thể halite (muối đá) tại Canada có niên đại 1,4 tỷ năm. Thí nghiệm hé lộ thành phần khí quyển Trái Đất hàng trăm triệu năm trước khi khủng long xuất hiện.

Nhóm tác giả trình bày trong một nghiên cứu công bố vào tháng trước trên PNAS, cho thấy vào thời điểm đó hàm lượng oxy trên hành tinh cao hơn dự đoán. Morgan Schaller, thuộc Học viện Bách khoa Rensselaer (RPI) và đồng tác giả nghiên cứu, cho biết những phép đo carbon dioxide họ thực hiện chưa từng có trước đây.

“Chúng tôi chưa bao giờ có thể nhìn ngược lại giai đoạn này trong lịch sử Trái Đất với độ chính xác cao đến vậy. Đây là những mẫu không khí cổ đại thực sự”, ông nói.

Hơn một tỷ năm trước, một hồ nước tại khu vực nay là Ontario (Canada) đã bốc hơi. Trong quá trình đó, một phần nước muối đậm đặc hình thành đã bị giữ lại bên trong các tinh thể halite, cùng với những bọt khí, tạo nên các bản ghi chép cực kỳ chính xác về thành phần khí quyển sơ khai của Trái Đất.

Tuy nhiên, việc trích xuất các số liệu chính xác từ những bao thể chất lỏng này, vốn chứa cả không khí lẫn nước muối, là một thách thức lớn. Bởi một số loại khí, bao gồm oxy và carbon dioxide (CO2), có hành vi khác nhau tùy vào việc chúng tồn tại trong nước hay trong không khí. Chính vì vậy, việc đo lường chính xác các loại khí ở trạng thái ban đầu vẫn rất khó khăn.

Nhóm nghiên cứu đã giải quyết được vấn đề này bằng một phương pháp do Justin Park, nghiên cứu sinh sau Đại học RPI và là tác giả chính, phát triển trước đó. Họ phát hiện rằng trong kỷ Mesoproterozoic (từ 1-1,6 tỷ năm trước), khí quyển Trái Đất chứa lượng carbon dioxide cao gấp 10 lần so với hiện nay.

Mức cao này giúp duy trì khí hậu tương đối giống hiện tại, dù Mặt Trời khi đó yếu hơn đáng kể. Với nồng độ này, kết hợp với các ước tính nhiệt độ dựa trên dữ liệu từ muối, cho thấy khí hậu kỷ Mesoproterozoic ôn hòa hơn so với những gì các nhà khoa học từng giả định.

Khí quyển khi ấy cũng chỉ chứa 3,7% lượng oxy so với ngày nay, vẫn cao một cách bất ngờ so với giả định. Vào thời điểm đó, sự sống trên Trái Đất chủ yếu do vi khuẩn chi phối, còn tảo đỏ chỉ mới xuất hiện. Tuy nhiên, mức oxy này về mặt lý thuyết đủ để duy trì sự sống phức tạp, như động vật và thực vật, những dạng sống phải đến khoảng 800 triệu năm sau mới thực sự xuất hiện.

Để giải thích vì sao sự sống lại xuất hiện chậm đến vậy, Park cho biết các số liệu đo này chỉ phản ánh một khoảnh khắc rất ngắn trong giai đoạn dài mà các nhà địa chất gọi là “boring billion” (tỷ năm nhàm chán). Đây là một kỷ nguyên đặc trưng bởi mức oxy thấp, điều kiện khí quyển và địa chất ổn định, cùng rất ít biến chuyển tiến hóa.

Tảo đỏ tạo ra một lượng lớn oxy cho Trái Đất từ xưa đến nay. Các nhà khoa học dự đoán lượng oxy cao bất ngờ vào thời điểm đó là do sự gia tăng về số lượng và mức độ phức tạp của tảo.

Mặt khác, các ước tính trước đây, dựa trên dữ liệu gián tiếp, cho rằng nồng độ CO₂ khi đó thấp hơn. Điều này lại không phù hợp với những bằng chứng khác, vốn cho thấy kỷ Mesoproterozoic không có sự hiện diện của các kỷ băng hà lớn.

“Dù tên gọi nghe có vẻ nhàm chán, việc có được dữ liệu quan sát trực tiếp từ giai đoạn này rất quan trọng, bởi nó giúp chúng ta hiểu rõ hơn cách sự sống phức tạp hình thành trên Trái Đất, cũng như cách khí quyển tiến hóa để trở thành như ngày nay”, Park kết luận.