El gas invernadero que resuelve la paradoja del joven Sol débil

Los orígenes de la vida se remontan a hace más de 3 500 millones de años (3.5 Ga) según indica la evidencia fósil. Aunque los detalles del proceso distan mucho de estar claros y hay diferentes hipótesis al respecto, sí puede afirmase que las condiciones ambientales de temperatura y la disponibilidad de agua líquida fueron determinantes (si no para la aparición de la vida en sí, al menos para los primeros pasos de su evolución en lo que hoy vemos). De manera un tanto intrigante, la existencia de estas condiciones favorables plantea en sí misma un enigma: hace 3-4 Ga el Sol no era más que una jovencísima estrella que comenzaba su camino por la secuencia principal, y su brillo era menor que el actual, apenas un 70% del de hoy en día. De acuerdo con la Ley de Stefan-Boltzmann, la temperatura de un cuerpo negro es proporcional a la raíz cuarta de la energía que emite por unidad de área, lo que nos deja con una temperatura de 0,7^0,25 = 91% de la actual. La temperatura de la Tierra es a su vez proporcional a la del Sol -asumiendo que el radio de éste y la distancia a la que nos hallamos no varía- lo que quiere decir que si en la actualidad debería ser de unos 279K sin contar el efecto invernadero, por aquel entonces sería de apenas 255K, o lo que es lo mismo unos frígidos -18ºC. Incluso con concentraciones de gases invernadero como las actuales la temperatura no subiría por encima del punto de congelación del agua, en contra de lo que la evidencia muestra. Es lo que se conoce como la paradoja del joven Sol débil.

Evolución del sol. Credit: Tablizer

Lógicamente, la composición de la atmósfera era muy diferente de la actual hace 3.5 Ga y la presencia de gases invernadero debió ser muy superior para permitir que la temperatura permaneciera por encima de 0ºC. El candidato más en boga era el socorrido CO₂, pero ahora un reciente estudio conjunto del Tokyo Institute of Technology y de la Universidad de Copenague arroja un nuevo escenario dominado por otro gas: el sulfuro de carbonilo (OCS).

El estudio en cuestión ha sido realizado por Yuichiro Ueno y colaboradores, lleva por título

• Geological sulfur isotopes indicate elevated OCS in the Archean atmosphere, solving faint young sun paradox

y ha sido publicado esta semana en PNAS. Ueno et al. han analizado la distribución de isótopos sulfurosos en rocas del Arcaico. Dicha distribución depende de la intensidad de la fotolisis del SO₂, la cual depende a su vez de la composición atmosférica en la Tierra primitiva, y en particular de los gases que puedan bloquear la radiación ultravioleta. De acuerdo con los modelos numéricos que han desarrollado, las concentraciones observadas son compatibles con una atmósfera rica en OCS. Este gas haría las veces de la actual capa de ozono, con un añadido especial: un potente efecto invernadero, mucho más efectivo que el del CO₂ y capaz de compensar la reducida energía solar. Más aún, el OCS actúa como catalizador para la formación de péptidos, lo que resulta sumamente interesante desde el punto de vista de la abiogénesis.

La vida encontró pues un ambiente favorable para su desarrollo gracias a la disponibilidad de agua líquida como disolvente. Formas de vida más sofisticadas se fueron abriendo camino, y hace alrededor de 3 Ga surgieron los primeros organismos fotosintéticos. Con ellos empezó el proceso de enriquecemiento atmosférico de oxígeno (los volcanes superficiales también ayudaron). Paradójicamente este oxígeno reaccionó con el azufre volcánico, dificultando la regeneración de la capa de sulfato de carbonilo y produciendo otros aerosoles sulfúricosde sulfato que actuaron como refrigerantes atmosféricos. Este proceso acabaría por dar lugar durante el Paloproterozoico a la glaciación global que cubrió completamente de hielo y nieve a la superficie terrestre.

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Platino extraterrestre, mezclado, no agitado

Cuando intentamos visualizar el remoto pasado de la Tierra y su intensa actividad geológica solemos acudir a una imagen mental de paisajes volcánicos, con grandes erupciones, lluvias de ceniza, lagos de lava, etc. Naturalmente esta imagen la construimos a partir de nuestra experiencia en las erupciones de hoy en día, por ejemplo las de los volcanes hawaianos cuya lava es sumamente fluida. Sin embargo, esta imagen no hace justicia a las características aún más extremas que la lava exhibía durante el Arcaico.

Flujo de lava del Puʻu ʻŌʻō, en el Kilauea (Hawai). Credit: United States Geological Survey

Se estima que el manto terrestre tenía en el Arcaico (hace de 3.8 a 2.5 Ga; 1 Ga = 10⁹ años) una temperatura superior a la actual en unos 500ºC debido al calor residual de la acreción terrestre y de la mayor abundancia de elementos radiactivos. Estas condiciones resultaban en la formación de magmas diferentes al basáltico común. Rocas ígneas como la komatita -cuyo punto de fusión supera los 1600ºC, frente a los aproximadamente 1200ºC de las lavas basálticas- daban lugar a extraordinarias inundaciones de lava. Y es que la komatita fundida se comporta como un fluido supercrítico (denso como la roca, viscoso como un gas, sin apenas tensión superficial): se desplazaría por la superficie sin apenas resistencia, pudiendo formar hilos fluidos de sólo 1 cm de tamaño.

Credit: United States Geological Survey

Dado el cambio de las condiciones del manto, estas rocas son hoy en día muy extrañas y sólo se  encuentran en coladas de lava del periodo Arcaico. Su estudio es pues importante en tanto que pueden arrojar información de gran interés en relación a la composición y actividad del manto en aquella época. Más aún, hay un interés económico, ya que estas rocas se asocian con depósitos de oro y níquel. Precisamente un proyecto de investigación industrial relativo a los depósitos de níquel ha dado lugar de resultas del análisis de las komatitas a un importante descubrimiento en relación a la dinámica del manto. Este proyecto se basa en el estudio del platino como guía para localizar al níquel. Para ello han analizado komatitas para analizar su contenido en platino, y ahí es donde ha llegado el hallazgo.

Micrografía de una komatita. Las placas paralelas que se aprecian dan lugar a lo que se conoce como "textura spinifex". Credit: CSIRO, Australia

El análisis de komatitas del Paleoarcaico (hace de 3.6 a 3.2 Ga) indica que su contenido en platino es muy pobre, debido a éste se precipito al núcleo terrestre durante su formación. Sin embargo, el análisis de komatitas del Neoarcaico (concretamente de hace 2.7-2.9 Ga) y del Paleoproterozoico (2.0-2.5 Ga en este caso) indica un incremento gradual en el contenido de platino. ¿Y de dónde proviene dicho platino? Del material meteorítico que llegó a la Tierra durante el último bombardeo intenso, hace 3.8 a 4.1 Ga (esto es, durante el Hadeico). Este material formó una lámina superficial que luego sería arrastrada y mezclada con el manto debido a procesos de convección a gran escala durante 1 500 millones de años.

Estas conclusiones has sido presentadas por Wolfgang D. Maier y 6 colaboradores -de la University of Western Australia y otras 7 instituciones- en un trabajo titulado

• Progressive mixing of meteoritic veneer into the early Earth’s deep mantle

recién aparecido en Nature. Los autores citan la determinación de la escala temporal del proceso como una de las principales contribuciones del trabajo, y apuntan a su utilidad para una mejor comprensión de los procesos del manto.

Los volcanes superficiales hicieron posible el surgimiento de oxígeno atmosférico hace 2,500 millones de años

Hace unos 3,000 millones de años la Tierra era un lugar bien diferente a la actualidad. Se trataba de un mundo geológicamente muy activo, con una gran convección en el manto que provocaba fuerte vulcanismo y una poderosa tectónica de placas que a la postre impedía la formación de grandes masas continentales. La atmósfera de aquella Tierra primitiva estaba compuesta fundamentalmente por dióxido de carbono, nitrógeno, y posiblemente hasta un 40% de hidrógeno. El oxígeno era virtualmente inexistente, con concentraciones que debían ser inferiores a 10^-5 veces la actual, según indica el registro sedimentario, y el hecho de aunque las temperaturas medias eran similares a las de hoy en día, el Sol tuviera 1/3 del brillo actual indica un poderoso efecto invernadero provocado por el dióxido de carbono y el metano.

Todo cambió hace unos 2,500 millones de años, en la transición entre el Arcaico y el Proterozoico, cuando la atmósfera anóxica tocó a su fin, y el oxígeno empezó a ser abundante como hoy en día. Una de las explicaciones más comunes a este hecho es la proliferación de cianobacterias, cuyo metabolismo produce cantidades abundantes de oxígeno. Sin embargo, se tiene constancia de la existencia de estas bacterias con bastante anterioridad al establecimiento de la atmósfera oxigenada, lo que sugiere que aunque su rol liberador de oxígeno pueda ser importante, debe haber algún motivo adicional por el que los sumideros de oxígeno fueran mayores antes de la citada transición. Una propuesta al respecto es la presentada por Lee. R. Kump -de la Pennsylvania state University– y Mark E. Barley -de la University of Western Australia– en un trabajo titulado

• Increased subaerial volcanism and the rise of atmospheric oxygen 2.5 billion years ago

publicado en Nature. La propuesta de Kump y Barley se basa en la observación de que hace entre 2.7 y 2.5 Gyr (1 Gyr = 10⁹ años) se estabilizaron la mayor parte de los cratones arcaicos, como el cratón de Kaapval y el de Pilbara, y surgieron las primeras masas continentales elevadas. Esto dio lugar a un incremento del vulcanismo superficial (en oposición al vulcanismo submarino predominante durante el Arcaico), y tuvo una gran influencia en el poder reductor de los gases volcánicos liberados. Mientras que en un volcán superficial los gases se han formado a elevadas temperaturas y bajas presiones, con predominio de H₂O, CO₂ y SO₂, en un volcán submarino los gases se forman a más baja temperatura y mayor presión, siendo ricos en H₂, CO, CH₄ y H₂S, y resultando mucho más reductores. Usando un cierto índice en el que el valor 1 indica que se produce empobrecimiento atmosférico de oxígeno, Kump y Barley establecen que el vulcanismo superficial resulta en un valor de 0.48±0.14, y la combinación actual de vulcanismo superficial y submarino es del orden de 0.69 (como cabría esperar dada la abundante presencia de oxígeno hoy en día). El vulcanismo submarino predominante en el Arcaico tenía sin embargo un índice reductor de 1.5, más que suficiente para acabar con el oxígeno libre.

La hipótesis es sumamente interesante, y en principio cabe suponer que la única explicación alternativa debería ser un enorme crecimiento de la población de cianobacterias ligado por algún motivo a los eventos tectónicos de hace 2.5 Gyr, lo que por el momento carece de justificación. Resulta entonces que los volcanes, típicamente considerados portadores de destrucción de la vida, pueden ser quizás los grandes responsables de que la vida sea en la Tierra tal como la conocemos.