Maa füüsikute käes


Maa füüsikute käes

Teadlased on hakanud mõistma kui oluline on see roll, mida kokkupõrked teiste taevakehadega, meteoriidipommitused ja muud katastroofid meie planeedi arengus mänginud on. Siinkohal heidame pilgu meie kahvatusinise täpi vägivaldsesse minevikku.

Loe veel

Inimtegevusest tingitud kliimamuutused, mis võivad meid tulevikus ees oodata, on paljud murelikuks teinud – kliimaprobleem puudutab ju meid kõiki. Lisahirmu tekitab ka asjaolu, et kliimamuutuste toimemehhanisme ei ole niisama lihtne mõista. Maa käitumist on äärmiselt raske täpselt prognoosida ning arvutitest üksi jääb siinkohal väheks: just seepärast peaksidki tulevased kliimamudelid lähtuma eelkõige põhjalikest füüsikaalastest teadmistest ning Maa ajaloo ja selle praeguse käitumise mõistmisest.

Õnneks oleme me viimase aastakümne jooksul Maa ajaloo kohta nii mõndagi uut teada saanud. Ajaloo hämarusse on hakanud paistma esimesed päiksekiired ning paistab, et me pole ainsad, kes on pidanud raskeid aegu üle elama. Maad on aegade jooksul tabanud nii mõnedki hirmsad katastroofid. Et jutt liiga pikaks ei veniks, peatume siin pikemalt vaid neljal sellisel sündmusel, milleks on 4,55 miljardit aastat tagasi toimunud hiiglaslik kokkupõrge (big splat), 4 miljardi aasta eest aset leidnud hiline äge meteoriidipommitus (late heavy bombardment), hapnikukatastroof (oxygen catastrophe), mis toimus umbes 2,5 miljardit aastat tagasi ning 850 miljoni aasta tagune Jää-Maa periood (Snowball Earth). Nende sündmuste üksikasjad – nagu ka see, kas nad üldse kunagi aset leidsid või mitte – on aga vaieldavad. Sellele vaatamata leidub nende kohta mitmeid üldtunnustatud teooriaid, mille kontrollimiseks on abi saadud just füüsikavallast.

Kuu sünd

Päike tekkis ilmselt gaasist ning tolmust koosneva pilve gravitatsioonilise kollapsi tagajärjel. Esimesed tähtede tekkimist kujutavad mudelid võtsid aluseks sfäärilise sümmeetria, kuid sellise lähenemise puhul on selgelt tegemist liigse lihtsustamisega, mille lõksu ka teiste valdkondade teadlased tihtipeale langevad. Siin mängib olulist rolli ka impulsimoment. Kui selline pilv omaenda raskusjõu mõjul kokku langeb, peaks moodustuma pöörlev akretsiooniketas.

Kui selle ketta keskosa muutus sedavõrd tihedaks, et selle rõhk suutis keskpunkti üleval hoida, tekkiski meie Päike. Päikese esimene eluetapp prototähena kestis vaid 100 000 aastat; selleks ajaks oli sealne temperatuur tõusnud juba nii kõrgeks, et Päikesest eralduv kuum gaas ei lasknud tal enam ümbritsevat ainet enda poole tõmmata. Sellest hetkest sai Päikesest T Tauri tüüpi täht ning kuna tema ainsaks energiaallikaks oli nüüd gravitatsioonienergia, muutus ta tasapisi üha väiksemaks ja väiksemaks. Umbes 100 miljoni aasta pärast käivitus tuumasüntees, mille algmaterjaliks oli Päikeses tuumas olev vesinik, ning Päikesest sai tavaline peajada täht.

Osa noore Päikese ümber tiirlevast kosmilisest tolmust kuumenes ja sulas ning mõned neist sulanud piisakestest tahenesid hiljem kondruliteks – millimeetri suurusteks keradeks, mis koosnevad lihtsatest mineraalidest nagu pürokseen ja oliviin, mille peamisteks koostisosadeks on naatrium, kaltsium, magneesium, alumiinium, raud, räni ja hapnik. Needsamad kondrulid on ka ühtede kõige primitiivsemate Päikesesüsteemis ringi rändavate objektide – kivimeteoriitide hulka liigitatavate kondriitide – peamiseks koostisosaks.

Edasi hakkas Päikese ümber tiirlev kosmiline tolm moodustama ainekogumeid, mida kutsutakse algmeteoroidideks ehk planetesimaalideks. Omavahel põrkudes ja ühinedes muutusid nad üha suuremaks ja suuremaks kuni tekkisid meilegi tuntud ja teatud asteroidid ning planeedid. Osad planetesimaalid sulasid ning selle tagajärjel vajusid raskemad metallid tuuma, jättes kergemad ained meteoroidi pinnale. Teised põrkasid aga omavahel kokku ja purunesid, moodustades kondriite ja teisi meteoriite, nagu raudmeteoriidid või kivimeteoriitide hulka kuuluvad akondriidid.

Radiomeetria abil meteoriite uurides on teadlased suutnud kindlaks teha ka üllatavalt täpse ajavahemiku – 4,56 ja 4,55 miljardit aastat tagasi – mil kõik need sündmused aset leidsid. Selles sündmustekeerises tekkis ka meie koduplaneet Maa ning siit algab ka meie lugu.

Maa ajalugu jaotatakse nelja eooni: Hadaikum, Arhaikum ehk Ürgeoon, Proterosoikum ehk Agueoon ja Fanerosoikum. Veel hiljuti oli vanim geograafiaõpikutes kirjas olev ajastu Kambrium, kui mitte arvestada üsna ebamäärase määratlusega Eelkambriumit. Kambrium algas aga vaid 540 miljoni aasta eest. See tähistab käimasoleva eooni – Fanerosoikumi – algust. Eesti keelde panduna oleks Fanerosoikumi sõnasõnaliseks vasteks "nähtava elu ajastu" – see on aeg, kus maailma valitsemise haarasid enda kätte hulkraksed organismid, kelle kivistisi veel tänagi rohkelt leida võib. Selles artiklis kaevume me aga veelgi sügavamale: Fanerosoikum saab olema meie teekonna lõpp-punktiks.

Nüüd aga tagasi Hadaikumisse, mis on saanud oma nime vanakreeka allilma jumala Hadese järgi. Nagu nimestki oletada võib, valitses Maal tol ajal põrgulik kuumus. Selles oli süüdi 4,53 miljardi aasta tagune sündmus, mille tagajärjel sai Maa endale Kuu. Millest Kuu siis tekkis? Hetkel arvatakse, et kõige adekvaatsema vastuse sellele küsimusele annab hiiglasliku kokkupõrke teooria.

Teooria põhineb oletusel, et ühel Maa orbiidil asuvatest Lagrange’i punktidest tekkis veel teinegi planeet. Nimelt tõestas Joseph Louis Lagrange 1772. aastal, et kui planeet tiirleb ümber Päikese ringjoonelisel orbiidil, siis samal kaugusel Päikesest tiirleb ka teine, temast märksa kergem taevakeha, kuid seda vaid siis, kui kõnealune taevakeha asub planeedist 60° ees- või tagapool. Jupiteri Lagrange’i punktide läheduses võib leida tiirlemas tõepoolest üsna mitmeid asteroide ning neid on näha ka Marsi ja Neptuuni Lagrange’i punktides. Maa vastavates punktides asteroide märgatud ei ole, kuid hiiglasliku kokkupõrke teooria kohaselt on ühes neist planeet kunagi siiski olnud. Kui selle mass oli kasvanud aga umbes Marsi massi suuruseks, ei suutnud ta enam oma orbiidil püsida ning liikus järk-järgult Maale lähemale, kuni viimaks sellega kokku põrkas. Just selline võiski olla meie Kuu sünnilugu.

See teooria kõlab küll uskumatult, kuid selle kasuks räägib hunnik tõendusmaterjale, mis on ilmekalt kokku võetud teaduskirjaniku Dana Mackenzie hiljuti ilmunud raamatus "The Big Splat, Or How Our Moon Came to Be". Näiteks on teada, et loodeline hõõrdumine sunnib Kuud tasapisi Maast eemalduma ning hetkel on eemaldumise kiiruseks umbes 3,8 cm aastas. Endisaegsed tõusud ja mõõnad on talletatud vanades settekivimetes, mis annavad tõestust sellest, et juba vähemalt Eelkambriumist alates on meie kuud järk-järgult pikemaks muutunud. Nende andmete põhjal võime oletada, et Hadaikumis oli Kuu Maale üsna lähedal. Kas tsentrifugaaljõud võis selle Maa küljest eemale paisata; või tekkis Kuu juba algselt Maa lähedal; või püüdis selle kinni hoopis Maa gravitatsiooniväli? Ühtegi neist teooriatest ei saa lõplikult maha kanda, kuid hiiglasliku kokkupõrke teooria sobib meie käsutuses olevate andmetega kõige paremini kokku. Sellesse teooriasse suhtutakse nii tõsiselt, et oletatav Maad tabanud planeet on endale isegi nime saanud: seda kutsutakse Theiaks. Vanakreeka mütoloogia kohaselt oli Theia naistitaan, kes tõi ilmale Kuu.

2004. aastal avaldas USAs Boulderi linnas asuva Southwest Research Institute’i haru juures töötav astrofüüsik Robin Canup oma arvutisimulatsioonid hiiglaslikust kokkupõrkest. Et meie Kuu sarnane kuu saaks tekkida – ja mitte selline, mis oleks liiga rauarikas või väike või muul viisil vale – tuli kõigepealt "luua" õiged tingimused. Canup leidis, et tõenäoliselt pidanuks Theia olema pisut raskem kui Mars, moodustades umbes 10% – 15% Maa massist. Samuti oleks pidanud see alguses maa poole liikuma üsna aeglaselt ning tabama Maad vaid riivates.

Selle tulemuseks oli üks äraütlemata halb päev Maa ajaloos. Theia põrkas Maaga kokku ning lõi sellest välja suure tüki, mille tagajärjel paiskus maailmaruumi purustatud, sulanud ja aurustunud kivimeid. Tunni aja möödudes oli juba pool Maa pinnast tulikuum ning kivisodist koosnev juga oli venitanud ennast juba pea nelja maa raadiuse kaugusele kosmosesse. Kolme kuni viie tunni pärast prantsatasid Theia rauast tuum ja suurem osa kivisodist tagasi Maale. Kogu maakoor ning pindmine osa vahevööst sulasid üles. Selleks hetkeks oli neljandik Theiast juba aurustunud.

Ainest, mis polnud päeva möödudes Maale tagasi langenud, moodustus selle ümber tiirlev kivisodist rõngas. Tekkinud rõngas ei olnud aga stabiilne ning juba sajandi jooksul grupeerus kiviklibu ümber, moodustades meie Kuu. Theia rauast tuum oli selle aja peale juba Maa keskmesse vajanud.

Diskussioon hiiglasliku kokkupõrke teooria õigsuse üle kestab aga edasi. Osalt on selle põhjuseks kindlasti tõsiasi, et otseseid tõendeid on säilinud äärmiselt vähe: näiteks vanimad Maalt leitud kivimid tekkisid alles pea pool miljardit aastat hiljem.

Hiline äge meteoriidipommitus

Arhaikumi ehk Ürgeooni alguseks loetakse vanimate tänini säilinud kivimite teket umbes 4 miljardit aastat tagasi. Basalt, nagu ka paljud teised tardkivimid, pidi aga tekkima juba varem. Tegelikult võisid ka ookeanid kujunema hakata juba 4,2 miljardit aastat tagasi, kuid nii varajasest ajast ei ole säilinud ühtegi asitõendit. Selle üheks võimalikuks põhjuseks võib olla Arhaikumi algusaegade rahutu iseloom.

Ka pärast Kuu tekkimist tabasid Maad mitmed sarnased katastroofid. Selle asemel, et nende sagedus aga järk-järgult langeks, võis see 3,8 kuni 4 miljardit aastat tagasi toimunud hilise ägeda meteoriidipommituse ajal hoopis järsult tõusta. Kuu vanimad ja suurimad kraatrid pärinevad just sellest perioodist ning loogiliselt võttes oleks pidanud ka Maa oma osa saama – siin oleks aga ilmastik ning geoloogilised protsessid kõik nii vanad jäljed tänaseks niikuinii hävitanud. Seetõttu tulebki meil tõestusmaterjali just Kuu pinnalt otsida.

Hilise ägeda meteoriidipommituse ajal tabas Kuud ligi 1700 meteoori, mis jätsid selle pinnale üle 100-meetrise läbimõõduga kraatrid. Maale võis sellise suurusega meteoore langeda 10 korda enam ning lisaks ilmselt mõned palju suuremadki. Et mõista säärase turmtule tagajärgi, on seda hea võrrelda 65 miljonit aastat tagasi Kriidiajastu lõpul Maad tabanud meteooriga, mis võis olla ka dinosauruste väljasuremise põhjuseks ning mille jäetud kraater oli 180-kilomeetrise läbimõõduga. Hilise ägeda meteoriidipommituse ajal võisid sellise suurusega meteoorid olla Maal lausa igapäevased külalised.

Miks oli aga see periood Maa ajaloos siis ometi nii vägivaldne? Ühe teooria kohaselt sattusid Jupiter ja Saturn sel ajal positsioonidele, kus Jupiter suutis teha oma orbiidil sama ajaga kaks ringi kui Saturn ühe ning see häiris Päikese ümber tiirlevate asteroidide ning jääst koosnevate objektide tavapärast tasakaalu. 2005. aastal avaldas planeetide uurimisele pühendunud füüsikute rahvusvaheline töörühm, kuhu kuulus ka Southwest Research Institute’i juures töötav Hal Levison – üks neist, kes propageerisid Pluuto nimetamist kääbusplaneediks – artikli, mis käsitles huvitavamaid meie päikesesüsteemi kohta loodud arvutisimulatsioone (Nature 435 466). Neis oli pandud meie neli hiidplaneeti tiirlema ringjoone-kujulistele orbiitidele, mis asusid üksteisele palju lähemal kui praegu. Algmeteoroidide mõjul hakkasid Saturn, Uraan ja Neptuun tasapisi päikesest eemalduma. Kui Saturn oli jõudnud punkti, kus iga tema tiiru kohta tegi Jupiter ümber Päikese kaks, muutus kogu Päikesesüsteemi välimine osa järsku ebastabiilseks. Neptuuni ja Uraani orbiidid muutusid ebakorrapärasemaks ning viskasid oma orbiitidelt eemale palju algmeteoriite. Mõned neist paiskusid ka Päikesesüsteemi sisemise osa poole – see seletaks ka hilist ägedat meteoriidipommitust.

Hapnikukatastroof

Arvatakse, et juba enne hilist ägedat meteoriidipommitust suutis Maa pind maakoore tekkimiseks piisavalt jahtuda. Vulkaanilised protsessid paiskasid siin õhku tohututes kogustes veeauru, süsihappegaasi ja ammoniaaki, millest moodustus Maa teine atmosfäär (peamiselt vesinikust ja heeliumist koosnenud esimene atmosfäär oli selleks ajaks juba kosmosesse kadunud). Teise atmosfääri peamisteks koostisosadeks olid süsihappegaas ja veeaur, veidi leidus selles ka lämmastikku. Hapnikku sisaldas teine atmosfäär aga ilmselt äärmiselt vähe. Arvatavasti oli Maa teises atmosfääris umbes 100 korda rohkem gaase kui meie praeguses kolmandas atmosfääris.

Maa jahtudes moodustusid ookeanid. Kokkupõrkel mõne suure meteooriga võisid nad küll täielikult aurustuda, kuid tekkisid peagi uuesti. Suur osa atmosfääris leiduvast süsihappegaasist lahustus merevees ning sadestus hiljem karbonaatidena. Sellega algas uus faas mineraalide arenguloos ehk  mineraalide evolutsioonis, nagu Washingtoni Geofüüsika Laboratooriumi juures asuvas Carnegie Institution’is töötav Robert Hazen ja tema kolleegid seda kutsuda armastavad. Loomulikult ei ole sel midagi pistmist Darwini evolutsiooniteooriaga, jutt käib vaid mineraalide "sortimendi" järk-järgulisest laienemisest Maa ajaloo käigus. 2008. aastal tegi Hazeni juhitud geoloogidest koosnev uurimisrühm oma arvutuste põhjal kindlaks, et Hadaikumis võis Maal leiduda umbes 350 liiki mineraale, kuid mida vanemaks sai Maa, seda rohkem tekkis ka uusi mineraale. Tänu ookeanide ning laamtektoonika tekkimise oli neid Ürgeooni lõpuks juba 1500.

Esimene samm laamtektoonika arengus oli kraatonite teke – need on iidsed maakoore osad, kus Maa koor ja vahevöö on omavahel kindlalt ühendatud ning millest paljud ka praeguse ajani säilinud on. Näiteks Ühendkuningriigis asuvad Walesi kagupoolne ning Inglismaa läänepoolne osa osaliselt Kesk-Inglismaa kraatonil. Kuigi enamik kraatone saavutas oma lõpliku kuju alles 2,7 miljardit aastat tagasi, hakkasid paljud neist kujunema juba ammu enne seda. Kraatonid koosnevad põhiliselt graniidist või muudest sarnastest tardkivimitest, mis on oma ehituselt tunduvalt keerukamad kui basalt. Graniit võib tekkida mitmel eri viisil, üks neist on näiteks settekivimite sulamine. Päris esimesed graniidi tüüpi kivimid olid ilmselt lihtsama ülesehitusega.

Laamtektoonika sai alguse juba 3 miljardit aastat tagasi, kui kraatonid hakkasid tasapisi liituma ning moodustama suuremaid üksuseid, millest koosneb ka meie praegune maakoor. Laamade liikumise käigus toimub pidev maakoore ümbertöötlemine ehk subduktsioon, mille käigus ookeanilised laamad libisevad mandriliste laamade alla ning sukelduvad vahevöösse. Laamtektoonikaga kaasneb ka veealune vulkaaniline aktiivsus, mis viib tihti kuumaveeallikate tekkeni ookeanide põhjas.

Võimalik, et just needsamad allikad mängisid olulist rolli ka Ürgeooni kõige olulisema sündmuse – elu tekkimise – juures. Kuna noorel Maal puudus vaba hapnik, pidid esimesed organismid olema anaeroobsed. Ka tänapäeval leidub veel mõningaid organisme, kes hapnikku taluda ei suuda: nendeks on vanimad meile teada olevad mikroobid, kelle hulka kuuluvad ka need, kes ülalmainitud kuumaveeallikates elutsevad. 3,6 miljardit aastat tagasi panid anaeroobsed organismid aluse aktiivsele väävliringele ning sulfaatide ladestumisele. Nende elutegevuse tulemusena jõudis atmosfääri ühe rohkem ja rohkem metaani.

Mingist hetkest alates hakkasid mõned mikroobid miskipärast fotosünteesima ning hapnikku atmosfääri paiskama. Tõenäoliselt omandasid ka esimesed taimed oma fotosünteesivõime just selliste bakteritega sümbioosis elades – on ju taimedes olevatel kloroplastidel praegugi veel oma DNA.

Pole täpselt teada, millal fotosüntees algas – erinevaid arvamusi kõrvutades saame tema oletatavaks algusajaks 3,5 kuni 2,6 miljardit aastat tagasi. Umbes sel ajal hakkas moodustuma raudkvartsiit – vöödilise tekstuuriga moondekivim, kus õhukesed raudoksiidi kihid vahelduvad vähese rauasisaldusega kivimi kihtidega. Raudkvartsiidi tekkele võisid panna aluse esimesed fotosünteesivad organismid, kelle toodetud hapnik reageerisid merevees leiduva rauaga. Seda, miks kivimi rauarikkad kihid vahelduvad väiksema rauasisaldusega kihtidega, ei oska aga keegi seletada.

Läks kaua aega, enne kui fotosüntees Maa atmosfäärile olulist mõju avaldama hakkas – kui see lõpuks umbes 2,5 miljardit aastat tagasi aga juhtus, oli tulemuseks järjekordne katastroof Maa ajaloos. Kuna gaasilises olekus hapnik on äärmiselt reaktsioonivõimeline ning suurem osa esimestest elusorganismidest ei suutnud seda taluda, kutsutakse seda perioodi ka hapnikukatastroofiks. Õnneks leidis evolutsioon pääsetee ning nüüd vajab enamik elusolendeid oma elutegevuseks just hapnikku.

Hapnikukatastroof tähistab Ürgeooni lõppu ning Agueooni algust. Järgmisel aastamiljardil laius Maal nn vaheookean, kus oli küll kordades rohkem hapnikku kui kunagi varem, kuid siiski veel palju vähem kui praegu.

Jää-Maa

850 miljonit aastat tagasi algas järjekordne katastroof: järgneva 200 miljoni aasta jooksul tabas Maad mitu pidurdumatu jäätumise perioodi, mil terve Maa (või vähemalt suurem osa sest) oli kaetud paksu jääkilbiga. Kuna päikesevalgus peegeldub jäält tagasi maailmaruumi ning temperatuur langeb seetõttu veelgi, pole just raske mõista, kuidas selline lumepalliefekt töötab. Praegu käimasolev lumepalliefekt on täpselt vastupidine – jää sulamise tõttu muutub Maa pind tumedamaks ning seetõttu ka soojemaks. Palju keerulisem on leida vastusi aga küsimustele, miks selline ebastabiilsus tihemini äärmuslikke temperatuure ei põhjusta, miks Jää-Maa just siis aset leidis ning miks Maa igavesti jääplaneediks ei jäänud.

Viimasele küsimusele on meil olemas ka võimalik vastus. On nimelt teada, et jääkate aeglustab kivimite murenemist. Murenemise käigus muudetakse süsihappegaas mitmesugusteks karbonaatseteks mineraalideks ning seetõttu on see üks põhilistest pikaajalistest protsessides, mis kasutab ära atmosfääris sisalduvat süsihappegaasi. Vulkaanid, mis suurtes kogustes süsihappegaasi õhku paiskavad, tegutsevad aga edasi ka jääga kaetud maailmas. Nii jääbki süsihappegaas atmosfääri ning põhjustab lõpuks kasvuhooneefekti, mille tagajärjel temperatuur uuesti tõusma hakkab. Kui jää sulab, suureneb ka murenemine ning süsihappegaasi kontsentratsioon atmosfääris langeb. Need protsessid ei juhtu aga üleöö. Arvatakse, et kuumimal hetkel võis süsihappegaasi sisaldus atmosfääris olla isegi kuni 13% – umbes 350 korda rohkem kui praegu.

Jäätumistsüklite lõpuks oli atmosfääri hapnikusisaldus tõusnud 2%-lt 15%-le (praegu on see 21%). See võib olla ka põhjuseks, miks esimesed hulkraksed hapnikku hingavad organismid just sel perioodil tekkisid. Teise teooria kohaselt pani selline "külmutus-kuumutus" protsess elu Maal tõsiselt proovile ning tekitas sellega eeldused kiireks evolutsiooniks. Reaalsuses võivad aga õigeks osutuda ka mõlemad teooriad. (Täpsemalt võib selle kohta lugeda Gabrielle Walkeri raamatust "Snowball Earth")

Hulkraksete organismide teke tähistab Agueooni lõppu ning käimasoleva eooni, Fanerosoikumi algust. Sellega lõppeb ka meie lugu – Maa ajalugu läheb aga edasi.

Me elame Fanerosoikumi eoonil, täpsemalt Kainosoikumis ehk Uusaegkonnas. Holotseen on lõppenud ning alanud on Antropotseen, mida iseloomustab inimtegevuse tugev mõju Maa ökosüsteemidele ja kliimale. Looduskeskkonda hävitades on inimesed käivitanud liikide massilise väljasuremise, mida võiks vast võrrelda isegi 65 miljoni aasta taguse katastroofiga Kriidiajastu lõpul. Meie tõttu suureneb tublisti ka süsihappegaasi sisaldus atmosfääris. Kui temperatuur Maal tõuseb veel vaid 1 kraadi võrra, saab see olema viimase 1,35 miljoni aasta kõrgeim – sama kõrge oli see viimati enne käimasoleva külmhooneperioodi algust. Mis meist edasi saab, ei tea keegi.

Maa ajaloo uurimine annab meile õigete oletuste tegemiseks aga paremad eeldused. Me ei saa teha katseid, mis testiksid Maa reaktsiooni erinevatele kasvuhoonegaaside kogustele. Arvutisimulatsioonid on seetõttu hädavajalikud ning tõestused Jää-Maast ning muudest sündmustest Maa ajaloos aitavad meil nende mudelite paikapidavust ka paremini kontrollida. Samuti võib minevikus aset leidnud massiliste väljasuremiste ning Maa järgneva taastumisprotsessi uurimine aidata ennustada meie planeedi tulevast bioloogilist mitmekesisust.

Autor: John Baez

Allikas: www.fyysika.ee

KOMMENTEERI!