Waar komt de stikstof in de aardatmosfeer vandaan?

De lucht die we inademen

Ademen doen we onbewust: in rust gebeurt dat 6 à 8 maal per minuut, bij inspanning of stress kan dat oplopen tot 20 maal per minuut. En telkens we inademen krijgen onze longen een gasmengsel binnen dat naast zuurstof vooral bestaat uit stikstof. Inderdaad, zonder rekening te houden met de variërende luchtvochtigheid of toevallige verontreinigingen, bestaat de lucht die ons omringt uit zowat 78 % stikstof, 21 % zuurstof en een rest sporengassen, waarvan argon met 0,93 % het grootste aandeel heeft. De pietjes-precies vinden hieronder een nauwkeurige samenstelling van het gasmengsel waarin we leven.

Maar ja, de erudiete geesten onder ons wisten dit natuurlijk al. De vraag die we ons stellen is echter: wat is de oorsprong van die overmaat aan stikstof in onze aardatmosfeer? En hoe is deze aardatmosfeer geëvolueerd naar de situatie op de dag van vandaag?

De aardatmosfeer door de eonen heen

Eigenlijk weten we nog niet precies hoe deze gasmantel is kunnen ontstaan uit de wolk stof en gas van waaruit onze Aarde vorm heeft gekregen. Het staat wel vast dat de aardatmosfeer sinds het ontstaan van deze planeet zo een 4,6 miljard jaar geleden vele malen van samenstelling is veranderd. Hieromtrent zijn er aanwijzingen dat er wisselwerking is geweest van zowel aardse oorsprong (i.c. vulkanen) als van buitenaf (i.c. meteoren en zonneactiviteit).
De eerste atmosfeer
Na de big bang bestond het heelal vooral uit waterstof en helium. Zo ook de galactische nevel van waaruit de Zon en het zonnestelsel is ontstaan.
De aanname is dat de proto-aarde ook moet omgeven zijn geweest door die meest aanwezige moleculen in het heelal: waterstof en helium. Niet direct een levensvatbare cocktail. Het gravitatieveld van de Aarde, in tegenstelling tot de grotere broers zoals Jupiter, kon de lichte gassen waterstof en helium echter niet lang vasthouden, zodat ze weglekten naar de ruimte.
Het oudste materiaal in het zonnestelsel dat werd onderzocht is ongeveer 4,568 miljard jaar oud. Onderzoekers nemen aan dat in die periode de accretie van de Aarde moet zijn begonnen. Er zijn aanwijzingen dat dit samenklitten van materie (voornamelijk uit asteroïden) vrij snel is gebeurd, men schat in een tijdspanne van zowat 30 miljoen jaar.
En toen gebeurde er een catastrofe! We bevinden ons 4,533 miljard jaar geleden: de prille gesmolten Aarde, nog een magmaoceaan, kwam in botsing met de protoplaneet Theia. Door dit planetaire cataclysme is de Maan ontstaan en werd ze in een baan om de Aarde geslingerd, en bij deze kantelde ook de aardas. De condities voor getijden en seizoenen zijn geschapen; deze zullen belangrijke parameters blijken bij de ontwikkeling van leven op Aarde.
De tweede atmosfeer
Geologisch onderzoek verwijst naar het bestaan van land en water reeds zo een 4,4 miljard jaar geleden. Het differentiatieproces tussen oceaan en continent was ingezet. Door grootschalige vulkanische activiteit van de min of meer vaste buitenkern van de Aarde worden gassen uitgestoten, en de zwaarste ervan worden vastgehouden door het zwaartekrachtveld van de planeet. Zo ontstaat in een tijdspanne van amper 100 miljoen jaar de tweede ‘stabiele’ atmosfeer: een mengsel van voornamelijk koolstofdioxide [CO2], methaan [CH4], stikstof [N2] en een variabele hoeveelheid waterdamp [H2O] en ammoniak [NH3]. Stikstof tekent vanaf dan reeds aanwezig (door de vele actieve vulkanen), maar zuurstofgas [O2] schittert door afwezigheid. De atmosferische druk moet toen een riante 11000 hPa geweest zijn. Ter vergelijking: wij leven in deze tijd onder een druk van gemiddeld 1013 hPa. De broeikasgassen en een dichte atmosfeer resulteren in een oppervlaktetemperatuur van 85°C en dit niettegenstaande een Zon die weinig warmte gaf. Conclusie: dit gaat over een dichte, warme omgeving waarin zowel moleculaire stikstof [N2] als watergebonden stikstof onder de vorm van het ammoniumion [NH4+] reeds present waren.
Stikstof uit de ruimte en een ontdekking met dank aan een gerenommeerde brouwerij
Onderzoek van kraters op de Maan heeft aangetoond dat de inslagen gevormd zijn tussen 4,1 en 3,8 miljard jaar geleden. In die periode moet het recent gevormde zonnestelsel, en dus ook de jonge Aarde, aan hevige ‘meteorenregens’ hebben blootgestaan.
Enerzijds, zou volgens recente bevindingen het water op onze planeet grotendeels van buitenaardse oorsprong zijn, want meegebracht door ‘ijskometen’. Anderzijds zijn er aanwijzingen dat deze ‘vallende sterren’ ook een bron zouden zijn geweest van de aardse stikstof. Deze stelling kwam echter op de helling te staan toen men had vastgesteld dat de isotoopverhouding van de stikstof op Aarde niet dezelfde is als deze van de stikstof uit de ruimte. Vervelend en verwarrend!
Totdat onderzoekers aan de Friedrich Schiller Universiteit in het Duitse Jena een eigenaardige ontdekking deden. Tijdens kristallografisch onderzoek van twee meteorieten die werden gevonden in Antarctica in 1979 ontdekten zij een ongewone kristalstructuur. En die bevatte stikstof met dezelfde isotoopverhouding als de stikstof die overvloedig aanwezig is op Aarde! Dit kristal zou wel eens een belangrijke ‘hemelse’ bron van stikstof kunnen zijn. Wat laat vermoeden dat er in het prille zonnestelsel, miljarden jaren geleden, deze stikstof (dus met ‘aardse’ isotoopverhouding) reeds aanwezig was.
We stellen ons stikstof voor als een gas (wat uiteraard zeer correct is), maar hier werd stikstof gevonden in vaste vorm opgesloten in een kristalrooster. Dit mineraal bestaat uit chroomnitride [CrN], een zeer hard en corrosiebestendig mineraal. Men noemde het Carlsbergite. Tiens, heeft dit iets vandoen met het biermerk? Toch wel, en veel. Het genoemde onderzoek werd namelijk gesponsord door de Carlsberg Foundation, een stichting opgericht in 1876 door J.C. Jacobson, toenmalige CEO van de Carlsberg brouwerij. Nog op vandaag blijft de Carlsberg Foundation kunsten en wetenschappen promoten en financieel steunen.
Het Carlsbergite werd gevonden toen de onderzoekers de kristallen in de meteorieten bestudeerden middels elektronenmicroscopie. Deze kristallen zijn immers slechts 100 nm groot. Maar hoe is stikstof in deze kristallen geraakt? De onderzoekers gaan ervan uit dat hoge concentraties ammoniak [NH3] aanwezig waren in de gasnevel waaruit het zonnestelsel is ontstaan. Het zou kunnen dat ammoniak werd ingesloten in ‘ijskometen’ en dat door bijvoorbeeld allerlei botsingen en/of hoog energetische straling (hierbij is een supernova een mogelijke bron) er extreem hoge temperaturen werden gegenereerd, waardoor ammoniak kon reageren met metaalhoudende mineralen. Carlsbergite kon aldus als reactieproduct zijn ontstaan. Sommige van deze asteroïden, mogelijk versneld door het zwaartekrachtveld van Jupiter, zouden met grote kracht op Aarde zijn ingeslagen. Om uit het Carlsbergite [CrN] de stikstof te ‘bevrijden’ moet de impact immens zijn geweest. Carlsbergite bestaat uit een zeer compacte structuur waarin de kleinere stikstofatomen ingebed liggen in een strak metaalrooster [Cr]. Het vergt dus veel energie om dit rooster open te breken. Maar het is wel een potentiële bron van stikstof…
Nog geen zuurstof en geen doortastend bewijs van leven in die tijd, wel een vermoeden dat anaerobe organismen zich in de oceanen zouden kunnen ontwikkeld hebben in de omgeving van onderzeese thermale bronnen, in deze omgeving afgeschermd van het turbulente oppervlak.
De derde atmosfeer
De Aarde blijft nog een lange tijd een broeikaswereld met een hoog percentage koolstofdioxide. Er ontstaat hevige en chaotische platentektoniek en in oude gesteenten zijn aanwijzingen gevonden van magnetisatie: het aardmagnetische veld heeft zijn intrede gedaan.
Geoxideerde ijzerformaties, gedateerd op ongeveer 3 miljard jaar oud, wijzen echter op toenemende zuurstofproductie. Cyanobacteriën in ondiepe zeeën zouden via fotosynthese hiervoor verantwoordelijk zijn. De Aarde koelt af en veel CO2 lost op in de oceanen. Tegelijkertijd zwengelt de fotosynthese aan waardoor enerzijds nog meer koolstofdioxide wordt opgenomen en anderzijds zuurstof wordt afgegeven.
De atmosfeer van vandaag is in de maak.
Van 2,5 miljard jaar geleden tot nu zijn er fluctuaties in de samenstelling van de atmosfeer, zijn er afwisselend warme en koude tijdperken. Zuurstof en stikstof zijn de hoofdingrediënten. Zoals voordien blijft het stikstofniveau in de lucht hoog en verandert weinig. Gasvormige stikstof reageert ten andere niet zo snel. Het ‘verdunt’ gelukkig de zuurstof, dat chemisch een agressief en ‘giftig’ gas is. Anaerobe organismen zullen het geweten hebben. Planten hebben stikstof nodig maar kunnen de stikstof uit de lucht als dusdanig niet gebruiken. Ze hebben een wateroplosbare vorm nodig (cfr. stikstofkringloop).
Waarom nu de samenstelling van onze atmosfeer is wat ze is, daar is men nog niet uit. Alleszins waren er de condities voor het ontstaan van leven (of heeft leven zich aangepast aan de heersende omgeving?) en onderhoudt deze gasmantel het leven op de planeet. Het is een voltreffer, maar met een zeer fragiel evenwicht. Dit laatste blijkt maar al te goed uit de gevolgen van de emissies van stikstofverbindingen door landbouw, verkeer en industrie.
Op een rij
Atmosfeer # 1 – ongeveer 4,6  3,8 miljard jaar geleden
Vermoedelijk bestond deze uit waterstof en helium. Deze gassen zijn licht en sijpelden weg in de ruimte. De proto-aarde was een magmaoceaan, er was nog geen duidelijke differentiatie tussen oceaan en land.
Atmosfeer # 2 – ongeveer 3,8  2,5 miljard jaar geleden
Is ontstaan door vulkanische activiteit, de zogenaamde “ontgassing”. Bij aanname dat de samenstelling van deze vulkanische uitstoot praktische dezelfde samenstelling had dan huidige vulkaanuitbarstingen was stikstofgas er zeker bij. Daarnaast ook ammoniak, belangrijk bij de verdere evolutie. De Aarde koelt verder af en zwaardere gassen worden door het zwaartekrachtveld vastgehouden. Er zijn wellicht nog secundaire stikstofbronnen uit de ruimte (zie de paragraaf over Carlsbergite). Alleszins wordt deze atmosfeer zeer rijk aan moleculaire stikstof. Er is wel nog geen zuurstof aanwezig, wel pakken koolstofdioxide. Maar daar komt verandering in…
Atmosfeer # 3 – de laatste 2,5 miljard jaar
Bij deze wordt koolstofdioxide geleidelijk aan vervangen door zuurstof middels processen als de fotosynthese en het oplossen van koolstofdioxide in de oceanen. Het stijgende aandeel van zuurstof in de atmosfeer kan ook reageren met ammoniak van vulkanische oorsprong en geeft stikstof als reactieproduct. Het gehalte aan stikstof in de atmosfeer blijft hoog en stabiel, het is immers een vrij inert gas. En zo komen we aan de samenstelling van onze adembare atmosfeer op vandaag.
In een notendop
Waar komt de stikstof in onze atmosfeer vandaan?
•    Uit vulkanische activiteit na accretie en differentiatie van oceanen en continenten.
•    Uit de ruimte tijdens “meteorenbombardementen”
•    Uit de reactie van ammoniak met zuurstof.

Herman

Inspiratie werd geput uit:
•    4,5 miljard aardse geschiedenis, BC Sintobin
•    https://www.britannica.com/topic/evolution-of-the-atmosphere
•    http://www.ux1.eiu.edu/~cfjps/1400/atmos_origin.html
•    https://globalchange.umich.edu/globalchange1/current/lectures/Perry_Sam…
•    http://www.abc.net.au/science/articles
•    https://www.forbes.com/sites/briankoberlein
•    https://scijinks.gov/atmosphere-formation/
•    Wikipedia