Body text
Het ontsnappen van zuurstof uit de atmosfeer sinds de Grote Oxidatiegebeurtenis
Twee factoren beïnvloeden atmosferische ontsnapping: zonneforcering en de planetaire omgeving. De jongere Zon had een snellere en dichtere zonnewind en een intensere Extreme UV-straling, waardoor er meer energie in de ionosfeer terechtkwam dan nu. De jongere aarde had een hetere atmosfeer en haar magnetische veld heeft in de loop der tijd gefluctueerd.
We hebben een semi-empirisch model ontwikkeld dat de huidige ontsnappingssnelheden extrapoleert naar omstandigheden in het verleden, rekening houdend met de zeven belangrijkste ontsnappingsprocessen voor aardse planeten: Jeans-ontsnapping, fotochemische ontsnapping, ionen pick-up, sputtering, cross-field ionenverlies, polaire wind en drempel-ontsnapping. Met behulp van empirische formules, een fysische schaling en een magneetveldmodel bepalen we de ontsnappingssnelheden van elk mechanisme in het verleden.
Omdat de aarde gemagnetiseerd bleef sinds de Grote Oxidatiegebeurtenis, 2,45 miljard jaar geleden, werd zuurstofontsnapping gedomineerd door ionenontsnapping via open magnetische veldlijnen die de polaire ionosfeer met het interplanetaire medium verbinden (polaire wind en drempel-ontsnapping).
De ontsnappingssnelheid van zuurstof was 2,45 miljard jaar geleden meer dan een orde van grootte hoger dan nu, met een totale ontsnappingssnelheid van meer dan 1027 s-1 of enkele honderden kilo's per seconde. Het totale zuurstofverlies gedurende deze periode komt overeen met ongeveer 50% van het huidige zuurstofgehalte in de atmosfeer, waardoor de aarde een zuurstofrijke atmosfeer kon behouden.
Inzicht in de belangrijkste parameters van atmosferische stabiliteit
Het semi-empirische model van het BIRA isoleert de belangrijkste parameters die de ontsnapping van zuurstof uit een gemagnetiseerde planeet zoals de aarde aandrijven. Een van de centrale elementen is de balans tussen de druk van het planetaire magnetische veld en de druk van de zonnewind.
Deze drukverhouding geeft vorm aan de geometrie van de magnetosfeer en beïnvloedt de verhouding tussen open en gesloten magnetische veldlijnen. In het verre verleden zorgde een lagere verhouding tussen de druk van het aardmagnetisch veld en de druk van de zonnewind ervoor dat atmosferische gebieden die verbonden waren met open veldlijnen uitzetten.
Door deze uitzetting kon meer zuurstof uit de atmosfeer ontsnappen via de poolgebieden, vooral omdat een sterkere zonnewind meer energie leverde om ionen te versnellen. Deze toename in ontsnapping van ionen was echter niet onbeperkt. Het vermogen van de ionosfeer om ionen te produceren is eindig en bereikte ongeveer 1,5 miljard jaar geleden een verzadigingspunt. Daarvoor, zelfs toen het gebied met open veldlijnen groeide, zorgde de beperkte ionenvoorraad in de ionosfeer ervoor dat de ontsnappingssnelheden beperkt bleven.
Door rekening te houden met alle bekende ontsnappingsmechanismen voor zuurstof biedt dit model nieuwe inzichten in de langetermijnevolutie van de aardatmosfeer. Door ons begrip van de factoren die de atmosfeer doen ontsnappen te verfijnen, verbetert het ook ons vermogen om de evolutie en stabiliteit van andere planeetatmosferen te beoordelen.
