Evolución de la atmósfera terrestre
La atmósfera es un sistema dinámico. Desde la formación de la Tierra, hace más de 4600 millones de años, ha sufrido transformaciones radicales. Ha pasado de ser una capa tóxica para la vida a convertirse en un equilibrado escudo gaseoso que la portege y sustenta.
En esta nueva entrada recorreremos los cambios clave en la atmósfera desde sus inicios a la actualidad. Discutiremos ha impactado en el desarrollo de la vida en nuestro planeta y cómo los cambios en su composición podrían influir en nuestro futuro.
Inicio: Creación de los planetas
La Tierra comenzó a formarse hace más de 4600 millones de años. La teoría de la acreción o agregación se ha establecido como explicación para la formación del planeta. Esta teoría consiste en concentraciones difusas de gases muy ligeros, H2, He y otros gases más pesados como el C2, N2 o el NH2. El hierro y los silicatos suponían un 0.5 %, pero al llegar a una concentración determinada se comienza un proceso de gravitación. Además se produce un aumento de temperatura debido a la formación del Sol.
Con el tiempo, las temperaturas alrededor del Sol se enfrían y se produce la agregación de cuerpos pequeños condicionando su composición a la distancia con el Sol. Estos cuerpos, al chocar producen una elevación de temperaturas. Se estima que la superficie de la Tierra en esos momentos tendría una temperatura superficial de 1000 ºK provocando fusión de Fe que pasaría a la zona central del planeta. Tras su formación, la Tierra no tenía atmósfera, ya que el proceso de formación impidió la presencia de gases. La composición actual de la atmósfera se ha generado según varias etapas en el tiempo que describiremos a continuación.
Atmósfera primigenia
Hace unos 3800 millones de años, la Tierra estaba formada por polvo y gases con un núcleo de hierro. La actividad volcánica y el bombardeo de meteoritos contribuyeron a la formación de una protoamósfera por la desgasificación del magma.
Esta protoatmósfera estaba formada por metano, amoniaco, vapor de agua y muy poco hidrógeno y Helio. Al quedar atrapados por las altas temperaturas se creó una densa capa rica en gases invernadero, lo cual mantenía el planeta extremadamente caliente. Sin oxígeno molecular libre y las altas concentraciones de CO2 y otros gases hubieran sido letales para los organismos.
El bombardeo de asteroides trajo consigo agua y gases adicionales, sentando las bases para futuras transformaciones en la atmósfera.
Atmósfera de segunda generación
Con el tiempo, la superficie de la Tierra comenzó a enfriarse debido a cantidad de óxidos de azufre (SO, SO2 y SO3) y otros aerosoles emitidos por los volcanes. Esto marcó el inicio de una atmósfera de segunda generación perdiendo sus componentes más ligero como el H2 y He. Aún así continuaba siendo rica en dióxido de carbono (CO2).
Debido al enfriamiento, solo una mínima fracción de H2O pudo permanecer en fase gaseosa en el aire. El resto formó nubes y se produjeron precipitaciones tan abundantes que se formaron las primeras masas de agua.
Además, la formación de océanos permitió la captura y almacenamiento de CO2 en forma de carbonatos, lo cual gradualmente redujo la cantidad de este gas en la atmósfera. Sin embargo, el oxígeno libre aún no estaba presente. La atmósfera consistía en una mezcla de dióxido de carbono, nitrógeno y vapor de agua. Con temperaturas todavía demasiado altas para la mayoría de las formas de vida actuales, pero bajas respecto al periodo anterior.
La temperatura en la superficie se estabilizó entre los 0-60 ºC debido a que el Sol estaba emitiendo menor radiación y por la presencia del CO2 como mecanismo de regulación de la temperatura ya que el efecto invernadero era más importante que en nuestro tiempo.
Formación de oxígeno
La evolución de la vida en la Tierra, en particular la aparición de las cianobacterias hace aproximadamente 2,500 millones de años, marcó uno de los cambios más revolucionarios en la historia del planeta: la introducción de la fotosíntesis oxigénica. Los organismos autótrofos utilizaban la luz solar para convertir dióxido de carbono y agua en glucosa y oxígeno. Este proceso comenzó a transformar profundamente la atmósfera terrestre. Originalmente, el oxígeno producido por estas cianobacterias se disolvía en los océanos. Sin embargo, a medida que estos sumideros de oxígeno se saturaron, el oxígeno empezó a acumularse en la atmósfera.
(Imagen generada con IA con ChatGPT 4.0)
Inicialmente, la fotodisociación del agua líquida jugó un papel importante en el aporte de oxígeno, pero fue eclipsado por la fotosíntesis. La acumulación de oxígeno en la atmósfera fue un proceso gradual. Al alcanzar un umbral crítico, permitió que su concentración aumentara, alterando la química de la atmósfera y los mares. Este cambio propició un ambiente más oxidante, muy diferente de las condiciones anaeróbicas anteriores.
La disponibilidad de oxígeno libre en la atmósfera fomentó formas de vida más complejas, capaces de utilizar el oxígeno para la respiración aeróbica. Este proceso es mucho más eficiente energéticamente que las reacciones anaeróbicas utilizadas por los organismos preexistentes. Además, aproximadamente el 20% del nitrógeno volcánico fue fijado al suelo por microorganismos, mientras que el resto se acumuló en el aire debido a su débil reactividad química y baja solubilidad en agua.
La transformación provocada por la fotosíntesis oxigénica no solo sustentaba el crecimiento de las cianobacterias, sino que también estableció las bases para la diversificación de la vida en la Tierra, introduciendo gradualmente el oxígeno en un mundo que había subsistido sin él.
La Gran Oxidación
Este lento proceso de acumulación de oxígeno culminó en la Gran Oxidación. Este evento transformó radicalmente el entorno terrestre hace aproximadamente 2,400 millones de años. La concentración de oxígeno en la atmósfera alcanzó niveles que permitieron la oxidación masiva de gases de efecto invernadero y otros compuestos químicos. Esto cambió la química de la atmósfera y del planeta, eliminando muchos gases de efecto invernadero y enfriando significativamente la Tierra.
El aumento en el nivel de oxígeno también permitió que formas de vida más complejas y eficientes energéticamente se desarrollaran. Estos organismos, que dependían del oxígeno para la respiración, comenzaron a proliferar, diversificando la vida en la Tierra. Además, la acumulación de oxígeno en la atmósfera alta llevó a la formación de la capa de ozono, un escudo crucial que protegió a las formas de vida emergentes de la radiación ultravioleta del sol.
Cambios en el Fanerozoico
Desde hace unos 540 millones de años hasta el presente ha habido un aumento significativo en los niveles de oxígeno. Esto se debe en gran medida por la proliferación de plantas terrestres desde hace unos 470 millones de años aproximadamente. A través de la fotosíntesis, han transformado la atmósfera, aumentando los niveles de oxígeno y reduciendo los niveles de dióxido de carbono.
La acumulación de oxígeno ha permitido una mayor diversificación y complejidad de la vida. A su vez, que la reducción del dióxido de carbono ha contribuido a estabilizar el clima global. Esto ha permitido la expansión de los ecosistemas terrestres y marinos, creando las condiciones para la evolución de los organismos pluricelulares y, eventualmente, para la aparición de los humanos.
Atmósfera actual y conclusiones
Las modificaciones en la composición de la atmósfera ha propiciado la aparición de nuevas formas de vida aeróbicas. Al aumentar el consumo de oxígeno y disminuido el de dióxido de carbono, se alcanza un equilibrio. Este equilibrioha dado lugar a lo que conocemos como la atmósfera actual.
La formación de la capa de ozono ha hecho posible la proliferación de vida en tierra firme. Sin embargo, este equilibrio se ha visto perturbado desde el inicio de la revolución industrial, incrementado la concentración de CO2 en la atmósfera. El aumento de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero plantea desafíos para la estabilidad climática.
La actividad humana, como el uso masivo de combustibles fósiles, incrementan los niveles de gases de efecto invernadero a ritmos alarmantes. Esta acumulación está desestabilizando el clima global, alterando los patrones meteorológicos y elevando los niveles del mar. Las decisiones que se tomen serán cruciales para el futuro de la atmósfera y la estabilidad de nuestro planeta.
Comprender los cambios en nuestra atmósfera es esencial para fundamentar las decisiones y estrategias futuras. Estas tendrán que estar destinadas a mitigar el impacto del cambio climático acelerado provocado por nuestras actividades industriales y energéticas.
Referencias
- «Oxygen: The molecule that made the world» por Nick Lane
- Biografía de la Tierra. Historia de un planeta singular. Anguita Virella, F. (2002). Aguilar.
- «The rise of oxygen in Earth’s early ocean and atmosphere» por Timothy W. Lyons, Christopher T. Reinhard, y Noah J. Planavsky.
