Liên đại Hadean (100 – 200 triệu năm tuổi)

Trái Đất đang khoác lên mình một chiếc áo màu đen – nhưng lớp áo này chuẩn bị được trút bỏ. Các hoạt động núi lửa trải dài trên khắp hành tinh đã phun ra hàng tỷ tấn khí thải mỗi ngày, bao gồm nitơ, cacbon dioxit, các hợp chất lưu huỳnh độc hại cùng với luồng hơi nước nóng bỏng, dần dần đã tạo thành một bầu khí quyển ngày càng dày đặc hơn. Và mọi thứ trên Trái Đất lúc này đang bắt đầu trở nên thú vị hơn.

Điều thú vị đầu tiên đó chính là nước. Khỏi cần phải giới thiệu nhiều – nước rất quan trọng. Vào thời kỳ sơ khai trên Trái Đất, khi nước nóng trộn lẫn với đá magma, chất lỏng này sẽ làm giảm nhiệt độ nóng chảy của đá và biến những hòn đá này trở thành một món súp magma đỏ rực. Ở gần bề mặt, các loại khí hòa tan trong món súp này sẽ chuyển từ dạng lỏng sang dạng khí và phát nổ dữ dội trong các vụ phun trào núi lửa, giống như một lon coca sẽ bị nổ tung nếu như bạn dùng hết sức bình sinh mà lắc nó thật mạnh. 

Bên cạnh đó, các chất lỏng giàu nước cũng hòa tan và cô đặc các nguyên tố hiếm như beryllium, zircon, bạc, clo, boron, uranium, lithium, selen, vàng và nhiều nguyên tố khác nữa – những nguyên tố mà cuối cùng sẽ trở thành các mỏ quặng lớn nằm rải rác khắp nơi trên lớp vỏ của Trái Đất. 

Điều thú vị thứ hai đó chính là bầu khí quyển. Nitơ, cacbon, lưu huỳnh và hơi nước là bốn “dân chơi” thế hệ đầu cấu thành nên bầu khí quyển sơ khai của Trái Đất. Trước đó, tất cả những loại khí này đều đã được “gia công hàng loạt” trong các ngôi sao lớn, sau đó được “phân phối” rộng rãi trong các vụ nổ siêu tân tinh, “đóng gói” một lần nữa trong các thiên thạch chondrite cách đây hơn 4,5 tỷ năm trước và cuối cùng là được “ship” đến Trái Đất.

Trong bốn nguyên tố trên, ba nguyên tố nitơ, cacbon và lưu huỳnh chưa có sức ảnh hưởng đáng kể trong việc kiến tạo và định hình Trái Đất non trẻ. Nhưng nước – thành phần hoá học thứ tư trong thiên thạch chondrite – đã trở thành “kiến trúc sư” chính giúp xây dựng nên một diện mạo hoàn toàn mới cho Trái Đất.

1. Tổng quan về nước – một hợp chất kỳ lạ

Giống như một nhà lãnh đạo tài năng cần phải có cho mình các tố chất cần thiết để thành công; cũng vậy, để có thể trở thành “kiến trúc sư” chính kiến tạo nên một Trái Đất hoàn toàn mới, nước phải có cho mình những “phẩm chất” đặc biệt. Và điều đặc biệt này lại đến từ các liên kết của nó.

Xét về mặt cấu trúc, nguyên tố hydro thường có 1 electron trong khi oxy có cho mình 8 electron. Và các nguyên tố này đều có xu hướng “phấn đấu” để có một “cuộc sống ổn định” hơn – đó chính là đạt đến cấu hình của khí hiếm – những con số kỳ diệu như 2 hoặc 10 electron. Để đạt được điều này, nguyên tử oxi sẽ cố gắng giành giật thêm 2 electron trong khi nguyên tử hydro cũng muốn có thêm cho mình 1 electron nữa. Và để “đáp ứng” được “nhu cầu” của mình, oxy và hydro đã tham gia “nghị định” cùng nhau hợp tác và phát triển với hai nguyên tử hydro kết hợp với một nguyên tử oxy để tạo thành một phân tử nước (H₂O). Phân tử này có cấu trúc hình chữ V và có tính phân cực: Nguyên tử oxy mượn thêm 2 electron của 2 nguyên tử hydro sẽ mang điện tích âm nhẹ trong khi mỗi nguyên tử hydro sẽ mang điện tích dương nhẹ.

Và chính đặc tính phân cực này đã mang lại cho nước rất nhiều các tính chất đặc biệt. Trước tiên, nước là một siêu dung môi (một chất có khả năng hòa tan các chất khác để tạo thành một dung dịch đồng nhất) bởi vì hai đầu dương và âm của những phân tử nước có khả năng phá vỡ và kéo các phân tử khác ra xa nhau. Do đó, nước có thể dễ dàng hòa tan rất nhiều tạp chất, chẳng hạn như muối ăn, đường hay một số tạp chất mang điện tích dương như ion natri (Na+) hoặc canxi (Ca²⁺) cũng như một số các tạp chất mang điện tích âm như ion clo (Cl−) hoặc cacbonat (CO₃²⁻).

Thứ hai, mặc dù hầu hết các loại đá đều mất rất nhiều thời gian để có thể hòa tan, nhưng trải qua hàng triệu năm, các loại đá này dần dần bị phân mảnh và tích tụ ngày một nhiều trong các đại dương rộng lớn. Và chính sự phong phú này đã khiến cho nước trở thành một “cái nôi” vô cùng lý tưởng giúp “gieo mầm” sự sống. Tất cả dạng sống trên Trái Đất, và có lẽ tất cả dạng sống trong vũ trụ, đều phải phụ thuộc vào nước.

Thứ ba, tính phân cực của nước cũng khiến cho các phân tử nhỏ hơn bên trong nó liên kết rất chặt chẽ với nhau: đầu dương của phân tử nước này sẽ liên kết với những đầu âm của các phân tử nước khác – được gọi là liên kết Hydro.

Và nhờ vào các liên kết liên phân tử mạnh bất thường này, nước đã có cho mình một tính chất thứ tư được gọi là sức căng bề mặt – một đặc tính cho phép côn trùng nhỏ có thể đi được trên mặt nước theo đúng nghĩa đen. Các liên kết hydro này cũng chính là “động cơ” của hoạt động mao dẫn – một cơ chế kéo nước di chuyển từ rễ lên đến tận lá trên cao hàng trăm mét. Những hạt mưa hình tròn, được “tạo hình” bởi những liên kết giữa các phân tử nước, là một mắt xích vô cùng quan trọng trong việc duy trì chu trình nước trên Trái Đất. Các phân tử dễ bay hơi và không phân cực khác như metan và carbon dioxide sẽ không thể tạo ra những giọt như vậy. Chúng chỉ lơ lửng trong bầu khí quyển dưới dạng sương mù siêu mịn, vì vậy “mưa” sẽ không thể xảy ra trên một hành tinh có bầu khí quyển như vậy.

Thứ năm, các liên kết chặt chẽ này đã dẫn đến một trong những tính chất quan trọng và gây tò mò nhất của nước: nước ở thể lỏng đặc hơn khoảng 10% so với nước ở thể rắn. Trong hầu hết các loại hợp chất hóa học mà chúng ta đã biết, chất rắn thường sẽ đặc hơn và chìm xuống trong dung dịch dạng lỏng của nó. Nhưng điều này đã không xảy ra đối với nước.

Một hệ quả quan trọng của tính chất này chính là đá (băng), dù đó là những khối lập phương nhỏ bé bên trong cốc nước của bạn hay một lớp băng mỏng trôi nổi trên sông hoặc suối hay một tảng băng khổng lồ trôi dạt trên các vùng biển gần Bắc Cực hay Nam Cực,…tất cả đều nổi lềnh bềnh trên nước. Và nếu nước không mang trong mình đặc tính bất thường này, nhiều vùng nước sẽ bị đóng băng từ dưới lên trên thay vì tạo thành một lớp băng dày từ trên xuống dưới. Trong một thế giới khắc nghiệt như vậy, các dạng sống dưới nước chắc chắn sẽ bị tiêu diệt khi vòng tuần hoàn nước lúc này gần như đã bị đình trệ. 

Không dừng lại ở đây, nước cũng có cho mình một tính chất rất đặc biệt khác: Dù được lọc hay được chưng cất cẩn thận đến đâu, nước sẽ không bao giờ trở nên “tinh khiết” – tức là một dung dịch toàn là các phân tử H₂O. Dung dịch này sẽ phải có các ion hydro tích điện dương (ion H+, tức là các proton tích điện dương không có bất kỳ electron nào kèm theo cả), cùng với các nhóm hydroxyl tích điện âm (ion OH−). Lúc này, các ion H+ sẽ nhanh chóng bám vào các phân tử nước để tạo ra các ion hydronium H₃O+. Và cái mà chúng ta gọi là “nước tinh khiết” là một dung dịch có số lượng hydronium (dương) bằng với số lượng hydroxyl (âm) – tức là có độ pH bằng 7. Vậy thì độ pH là gì?

Nói một cách ngắn gọn, thang đo pH được dùng để đo lường nồng độ của các ion hydro (H+) tự do bên trong một dung dịch nhất định. Dung dịch càng có nhiều ion H+ thì chỉ số pH càng thấp và dung dịch càng có tính axit. Ngược lại, một dung dịch càng có nhiều ion OH– thì chỉ số pH càng cao và dung dịch sẽ càng có tính bazơ (hoặc kiềm). Nước có độ pH bằng 7 (trung tính), như đã giải thích ở bên trên, vì nó có số lượng ion H+ bằng với số lượng ion OH– và sẽ nằm ngay giữa thang đo.

Mỗi một số nguyên trên thang đo pH biểu thị một sự khác biệt theo cấp số nhân. Giả sử, nếu chúng ta đi từ số 4 xuống số 3, nồng độ ion H+ sẽ tăng lên gấp 10 lần. Ví dụ, cà phê có độ pH là 5. Vì vậy, từ độ pH 7 xuống độ pH 5, nồng độ ion H+ sẽ tăng lên gấp 10 x 10 = 100 lần, tức là cà phê sẽ có độ axit cao gấp 100 lần so với nước. Điều này cũng có nghĩa là cà phê có tính bazơ thấp hơn so với nước 100 lần vì nồng độ ion OH– đã giảm đi 100 lần. Như vậy, dung dịch có độ pH nhỏ hơn 7 sẽ được gọi là dung dịch axit. Và nếu dung dịch này có độ pH càng gần mức 7 (chẳng hạn như nước máy chưa qua xử lý có độ pH bằng 6) thì nó được gọi là axit yếu, càng xa mức 7 thì được gọi là axit mạnh (chẳng hạn như giấm có độ pH bằng 3 hay nước chanh có độ pH bằng 2).

Một ví dụ khác, baking soda có độ pH là 9. Điều này có nghĩa là nồng độ ion H+ của nó đã giảm đi 100 lần so với nước trung tính. Tuy nhiên, nồng độ ion OH– của nó đã tăng lên gấp 100 lần, làm cho nó có tính bazơ cao hơn nước. Như vậy, dung dịch có độ pH lớn hơn 7 sẽ được gọi là dung dịch bazơ (kiềm). Nếu dung dịch này có độ pH càng gần mức 7 thì nó được gọi là bazơ yếu, càng xa mức 7 thì được gọi là bazơ mạnh.

2. Vòng tuần hoàn nước nông

Hành trình của nước trên Trái Đất – ở dạng gì, cư trú ở đâu và di chuyển như thế nào – là một quá trình khá phức tạp. Cho đến tận ngày nay, các đại dương vẫn được coi là một cái bể chứa nước lớn nhất, lưu giữ khoảng 97% lượng nước có thể tiếp cận được trên bề mặt Trái Đất. Các chỏm băng, sông băng và các vùng nước ngầm chiếm khoảng 3% còn lại. Trong số 3% này, tất cả các lượng nước bên trong ao, hồ, sông, suối và khí quyển cộng lại chiếm một lượng rất rất nhỏ trong nguồn cung cấp nước gần bề mặt Trái Đất.

Chúng ta hãy bắt đầu với một phân tử nước đơn lẻ – gồm một nguyên tử oxy và hai nguyên tử hydro đã tồn tại trong hàng tỷ năm. Phân tử này bắt đầu hành trình của nó ở vùng biển Thái Bình Dương rộng lớn – một nơi “đông dân” nhất trên Trái Đất. Ban đầu, một dòng nước lạnh bên trong đại dương, Dòng hải lưu lạnh California, đã “quét” các phân tử này đi từ Alaska về phía nam dọc theo bờ biển California đến Baja và vùng xích đạo. Tại đây, các phân tử nước bắt đầu được làm nóng và dâng lên gần bề mặt đại dương, bắt đầu hành trình di chuyển theo chiều kim đồng hồ quanh Bắc Thái Bình Dương nhờ vào Dòng hải lưu Xích đạo Bắc di chuyển về phía tây tới Nhật Bản, sau đó là Dòng hải lưu Bắc Thái Bình Dương hướng về phía đông để quay trở về Bắc Mỹ. Khi các phân tử nước này một lần nữa trở về California, nó bắt đầu “phơi mình” trên bề mặt đại dương tràn ngập ánh nắng và bốc hơi vào bầu khí quyển, nơi các đám mây dần dần được hình thành.

Tại đây, những cơn gió bắt đầu quét các khối mây dày đặc này về phía đông, đi qua sa mạc Tây Nam và tiến vào Dãy núi Rocky cao chót vót. Khi những đám mây bắt đầu di chuyển lên cao, nhiệt độ sẽ bắt đầu giảm dần và mưa sẽ bắt đầu rơi. Những giọt nước này sau đó sẽ đi theo một con đường ngoằn ngoèo bắt đầu từ những con lạch, những dòng suối rồi đến một dòng sông chảy xiết. Cho đến thời điểm này, chúng ta có thể thấy hành trình của các phân tử nước diễn ra khá nhanh chóng: chỉ cần 1 đến 2 năm để có thể quay vòng toàn bộ lượng nước Thái Bình Dương, 1 đến 2 ngày để hòa vào các đám mây và kết tụ lại thành những giọt mưa, 1 tuần hoặc lâu hơn để đi dọc ngang qua các địa hình đồi núi. Nhưng khi nó ngấm sâu hơn vào lòng đất và “nhập hội” với tầng ngậm nước rộng lớn ở bên dưới, các phân tử này phải mất hàng ngàn năm để có thể len ​​lỏi trong các “ngõ ngách” phức tạp tại đây.

Ngày nay, các hoạt động của con người đã trực tiếp làm thay đổi nhịp điệu cổ xưa này của tự nhiên bởi những người nông dân đói khát đã bơm ra một lượng nước ngầm khổng lồ để có thể duy trì nền nông nghiệp ở Tây Nam Mỹ khô cằn. Do đó, các tầng nước ngầm này đang dần cạn kiệt. Các phân tử nước, khi đã quay trở lại bề mặt, chúng sẽ nhanh chóng bốc hơi và tiếp tục hành trình tiến về phía đông.

Đây dường như là một vòng lặp không có hồi kết. Một số phân tử tạm thời bị phá vỡ thành các ion hydronium(H₃O+) và hydroxyl (OH–), để rồi lại kết hợp lại thành các phân tử nước mới. Các phân tử khác thì lại bị khóa chặt trong các lớp băng dày ở Nam Cực trong hàng triệu năm hay trải qua các phản ứng hóa học để trở thành một phần của đất sét.

Sự sống cũng đã trở thành một phần không thể thiếu trong vòng tuần hoàn của nước. Thực vật hấp thụ các phân tử nước và carbon dioxide trong quá trình quang hợp do Mặt Trời điều phối để tạo ra rễ, thân, lá và quả. Và khi những mô thực vật giàu chất dinh dưỡng này được động vật tiêu thụ và chuyển hóa thông qua quá trình hô hấp hiếu khí, sản phẩm cho ra theo mỗi hơi thở chính là các phân tử carbon dioxide và nước, từ đó vòng tuần hoàn sẽ được “reset” lại.

3. Vòng tuần hoàn nước sâu

Tuy nhiên, vòng tuần hoàn nước nông chỉ là một nửa của câu chuyện bởi vì chúng ta biết rằng magma ở sâu bên trong lòng đất chứa đủ nước để gây ra các hoạt động núi lửa vô cùng dữ dội (nước + magma = bùng nổ). Vì vậy, một giả định đặt ra ở đây là các khoáng chất silicat nằm sâu bên trong hành tinh bằng cách nào đó đã giữ lại nước. Cụ thể hơn, các loại khoáng chất phổ biến nhất – olivine, pyroxene, garnet và các biến thể đặc hơn của chúng – rất có thể đã mang trong mình một lượng nước nhỏ bất chấp các điều kiện rất khắc nghiệt tại lớp phủ. 

Hóa ra, khi ở áp suất và nhiệt độ cao, một số khoáng chất có thể dễ dàng kết hợp với rất nhiều nguyên tử hydro. Các nguyên tử hydro lúc này, đến lượt nó, tiếp tục kết hợp với oxy bên trong các khoáng chất silicat này và tạo thành nước (H₂O)

Ví dụ, trên bề mặt Trái Đất, olivine là một loại khoáng chất khá khô, chỉ chứa tối đa khoảng 420 ppmw nước (ppmw – parts per million by weight – tức là olivine sẽ có 420 đơn vị khối lượng nước trong 1.000.000 đơn vị khối lượng của toàn bộ khoáng chất này). Tuy nhiên, khi olivine được tổng hợp ở độ sâu 410 km ở nhiệt độ 1100°C lại chứa nhiều nước hơn rất nhiều, lên đến 5.000 ppmw nước.

Theo các tính toán đã được thực hiện, vùng chuyển tiếp bên trong lớp phủ là một trong những nơi “ẩm ướt” nhất trên hành tinh và được cho là có lượng nước gấp ít nhất 3 lần so với tổng lượng nước đang có bên trong các đại dương ngày nay. Tiếp đó, các loại khoáng chất trôi nổi bên trong lớp phủ dưới thường chứa ít nước hơn, nhưng thể tích khổng lồ của nó (chiếm khoảng 55% thể tích Trái Đất) đã khiến nó trở thành một cái bể chứa nước thậm chí còn lớn hơn nữa. Đó là chúng ta còn chưa kể đến các loại khoáng chất giàu nước khác và lõi sắt đậm đặc của Trái Đất cũng có thể đang chứa rất nhiều hydro – tương đương với rất nhiều nước ở bên trong nó.

4. Đại dương đầu tiên trên Trái Đất

Như chúng ta đã biết, ở giai đoạn mới hình thành, các hành tinh đất đá có nhiệt độ vô cùng lớn. Điều này có nghĩa là các hợp chất dễ bay hơi thường xuyên được giải phóng khi các siêu núi lửa liên tục bơm một lượng lớn hơi nước và hỗn hợp khí khổng lồ vào bầu khí quyển đang dày lên nhanh chóng. Trong vòng vài triệu năm đầu tiên, bầu khí quyển sơ khai của Trái Đất đậm đặc hơn rất nhiều so với bầu khí quyển ngày nay. Rất có thể nước đã tràn ra trên bề mặt ở dạng lỏng, làm nguội những tảng đá đầu tiên và hình thành nên những vùng biển nông và rộng trong vòng vài chục triệu năm

Thế rồi Theia đã thổi bay tất cả mọi thứ. Mặc dù chúng ta không thể ước tính được lượng nitơ, nước và các hợp chất dễ bay hơi khác của Trái Đất đã bị mất trong sự kiện này, nhưng chắc chắn con số này là rất lớn. Thậm chí, chuỗi phản ứng dây chuyền sau đó – tức là các vụ va chạm ở quy mô nhỏ hơn, đã tiếp tục làm bốc hơi phần lớn các đại dương trong vòng 500 triệu năm.

Tuy nhiên, khoảng vài triệu năm sau Vụ va chạm lớn (Big Thwack), hơi nước đã vươn lên trở thành ngôi sao sáng nhất trong bầu khí quyển nguyên thủy, tạo nên hàng tá các cơn bão lớn di chuyển trên khắp hành tinh cùng với những đám mây đen hỗn loạn, gió hú, sấm chớp và những trận mưa xối xả không ngớt. Lúc này, lớp vỏ bazan bắt đầu nguội đi nhanh chóng và cứng lại, trong khi các vùng đất trũng dần dần được lấp đầy bởi nước. Trong một khoảng thời gian rất dài sau đó, các vùng nước non trẻ này giống như những bồn nước nóng khổng lồ khi lớp nước mỏng này đi xuyên qua các vết nứt, tiếp xúc với những tảng đá nóng chảy bên dưới và quay trở lại bề mặt dưới dạng những cột nước ngầm siêu nóng phun trào dữ dội. Và nhờ vào những tương tác dữ dội này, vỏ Trái Đất đã nguội đi nhanh chóng và nhường chỗ cho các ao nước sâu hơn, sau đó là hồ, rồi bắt đầu  hình thành nên các đại dương đầu tiên.

Đến nay thì chúng ta vẫn chưa thể xác định được thời điểm chính xác mà các đại dương được hình thành, nhưng các bằng chứng đã xuất hiện dưới dạng các tinh thể lâu đời nhất trên Trái Đất. Một số loại đá cổ xưa này đã được tìm thấy trong các lớp trầm tích hơn 3 tỷ năm tuổi ở Jack Hills, Tây Úc. Tại đây, trong một phần rất nhỏ của những hạt cát này, không quá 1/1.000.000, người ta đã tìm thấy khoáng chất zircon (zirconium silicate – ZrSiO₄), một trong những loại vật liệu cứng nhất trong tự nhiên.

Ban đầu, các hạt zircon riêng lẻ thường được hình thành giống như một loại khoáng vật phụ trong đá magma khi nó nguội dần đi. Thông thường, hầu hết các loại nguyên tố hóa học đều có thể dễ dàng xâm nhập vào cấu trúc tinh thể của pyroxene, olivine và fenspat. Nhưng zircon lại không có khả năng này. Và để giải quyết vấn đề không tương thích của mình, các tinh thể zircon đã bắt đầu xuất hiện.

Có một số yếu tố đã khiến cho những tinh thể zircon nhỏ bé này trở thành một nguồn thông tin vô cùng độc đáo về Trái Đất sơ khai. Đầu tiên, zircon có thể tồn tại gần như mãi mãi (ít nhất là trong toàn bộ lịch sử của Trái Đất). Một tinh thể zircon đơn lẻ có thể bị xói mòn từ một tảng đá (có lẽ là nơi mà nó kết tinh lần đầu), rồi bị xói mòn hết lần này đến lần khác trong hàng tỷ năm. Như vậy, một hạt zircon riêng lẻ có thể được tái chế qua hàng chục tầng đá trầm tích khác nhau.

Thứ hai, các tinh thể zircon có thể đóng vai trò giống như một “viên đá thời gian” của Stephen Strange vì nó có thể dễ dàng kết hợp với nguyên tố uranium. Uranium có chu kỳ bán rã rơi vào khoảng 4,5 tỷ năm, đóng vai trò là một chiếc đồng hồ bấm giờ của tự nhiên. Khi một tinh thể zircon hình thành, các nguyên tử uranium của nó sẽ bị khóa lại và bắt đầu phân rã với tốc độ ổn định – trung bình, một nửa trong số chúng sẽ bị phân rã cứ sau 4,5 tỷ năm và cho ra các nguyên tử chì rất ổn định. Và tỷ lệ giữa các nguyên tử uranium so với các nguyên tử chì đã cung cấp ước tính khá chính xác về tuổi của các tinh thể zircon.

Cuối cùng, zircon chứa oxy. Vậy thì tại sao điều này lại quan trọng đến vậy? Hãy nhớ lại trong các bài viết trước, Trái Đất và Mặt Trăng có tỷ lệ oxy-16 so với oxy-18 giống hệt nhau, ngụ ý rằng chúng đã hình thành ở cùng một khoảng cách so với Mặt Trời. Lập luận theo cách tương tự, tỷ lệ oxy-16 so với oxy-18 trong tinh thể zircon sẽ biểu thị nhiệt độ tại thời điểm mà nó được sinh ra: một mẫu giàu oxy-18 sẽ cho chúng ta biết rằng zircon đã được tạo ra ở một nhiệt độ tương đối mát mẻ. Đối với đá magma, nhiệt độ này có thể trở thành một chỉ báo rất đáng tin cậy về hàm lượng nước của nó, nơi mà các tinh thể zircon đã phát triển (bởi vì nước có thể làm giảm nhiệt độ). Như vậy, các tinh thể zircon có hàm lượng oxy-18 cực cao được hiểu là nó đã tương tác rất nhiều với nước trên bề mặt.

Như vậy, bằng cách này, các tinh thể zircon từ những lớp đá lâu đời nhất của Trái Đất có thể tồn tại qua nhiều chu kỳ xói mòn và bồi đắp, đồng thời có khả năng bảo tồn các dữ liệu về tuổi, nhiệt độ và hàm lượng nước của môi trường mà nó được “nuôi lớn”. 

Điểm mấu chốt là khá nhiều tinh thể zircon đến từ Jack Hills đã hơn 4 tỷ năm tuổi, cùng với đó là một tinh thể cổ xưa nhất – có tuổi đời lên đến 4,4 tỷ năm. Điểm đặc biệt của tinh thể zircon này là nó có hàm lượng đồng vị oxy-18 cao một cách bất thường. Do đó, một số nhà khoa học đã kết luận rằng, khoảng 4,4 tỷ năm trước, khi Trái Đất mới được 150 triệu năm tuổi, nó đã có đại dương. Nếu nhìn từ không gian, Trái Đất giống như một viên đá cẩm thạch ánh lên màu xanh da trời.

Ngày nay, các lục địa chiếm gần ⅓ diện tích bề mặt của Trái Đất, nhưng vào buổi bình minh của hành tinh, trong liên đại Hadean khắc nghiệt, các lục địa vẫn chưa được hình thành. Các đại dương nguyên thủy chỉ bị chia cắt bởi những hòn đảo núi lửa nhỏ bé và trôi nổi rải rác trên những con sóng cuộn trào. 

Vậy thì các đại dương này có nóng không? Có lẽ có bởi vì chúng vẫn đang bị “đun sôi” bởi các dòng magma nóng bỏng cuộn trào ở bên dưới. Nó có mặn không? Và thật bất ngờ, các đại dương non trẻ này mặn hơn rất nhiều so với các đại dương ngày nay – chủ yếu bao gồm natri clorua (NaCl) – một loại muối ăn rất dễ hòa tan trong nước. Nhưng trong vòng nửa tỷ năm đầu tiên của Trái Đất, muối lại chưa xuất hiện trên hành tinh. Vậy thì độ mặn của các đại dương này đến từ đâu? Và câu trả lời chính là nồng độ rất cao của các nguyên tố sắt, magie và canxi.

Các nhà khoa học cũng tự hỏi rằng liệu các đại dương này có tính axit hay có tính bazơ. Có một yếu tố quan trọng nhất giúp kiểm soát độ pH và độ mặn của đại dương chính là carbon dioxide trong bầu khí quyển. Tại thời điểm này, hàm lượng CO₂ trong bầu khí quyển sơ khai cao gấp hàng nghìn lần so với ngày nay. Và nồng độ CO₂ cao trong bầu khí quyển đồng nghĩa với việc nồng độ CO₂ trong nước cũng cao không kém, và chính điều này đã ảnh hưởng đến cả độ pH và độ mặn của đại dương.

Đầu tiên, carbon dioxide sẽ kết hợp với nước mưa để tạo thành axit cacbonic (H₂CO₃). Khi trôi nổi trong đại dương, hợp chất này phân tách thành một ion hydro (H+), từ đó tạo thành ion hydronium (H₃O+) cùng với bicarbonat (HCO₃ –). Như chúng ta đã phân tích ở bên trên, sự gia tăng của ion H+ đã làm cho các đại dương này có tính axit – với độ pH là khoảng 5,5. Không dừng lại ở đây, đại dương có tính axit như vậy thậm chí còn đẩy nhanh quá trình phong hóa của đá bazan và các loại đá khác, làm phong phú hơn nữa các chất hòa tan có trong một đại dương vốn dĩ đã rất mặn.

5. Nghịch lý Mặt Trời mờ nhạt

Như thể những câu chuyện về đại dương đầu tiên của Trái Đất còn chưa đủ phức tạp thì Tự nhiên lại đưa ra cho chúng ta một vấn đề khác cần giải quyết: theo các quan sát và ước tính, Mặt Trời vào khoảng 4,4 tỷ năm trước ít sáng hơn 25 đến 30% so với ngày nay. Hơn nữa, Mặt Trời vẫn còn khá “mờ nhạt” trong khoảng thời gian ít nhất là 1,5 tỷ năm. Ngày nay, nếu Mặt Trời đột nhiên kém sáng đi 25%, Trái Đất sẽ nhanh chóng bước vào giai đoạn băng hà tàn khốc, các đại dương ở khắp mọi nơi sẽ bị đóng băng hoàn toàn và giết chết hầu hết mọi dạng sống trên Trái Đất. 

Với một Mặt Trời “lạnh lẽo” như vậy, Trái Đất ắt sẽ phải bị đóng băng. Tuy nhiên, như chúng ta đã cùng nhau phân tích ở bên trên, nước đã xuất hiện từ hơn ​​bốn tỷ năm trước. Thậm chí, sự sống cũng đã bắt đầu xuất hiện và phát triển trong khoảng thời gian này. Vậy thì làm thế nào mà Trái Đất không trở thành một tinh cầu lạnh giá?

Trước tiên, rất có thể một phần nhiệt bị thiếu hụt đến từ bức xạ Mặt Trời đã được bù đắp bởi lượng nhiệt đến từ một Trái Đất đang “sôi sục”. Sau khi lớp vỏ bazan đã bao phủ toàn bộ các đại dương magma nguyên thủy, trên bề mặt Trái Đất vẫn còn có rất nhiều các loại đá nóng chảy và hoạt động núi lửa liên tục làm nóng bề ​​mặt. Các đại dương trên một hành tinh như vậy sẽ được làm nóng liên tục từ bên dưới khi lớp vỏ đen từ từ dày lên và nguội đi.

Bên cạnh đó, do nồng độ CO₂ trong bầu khí quyển lúc này là rất lớn, hiệu ứng nhà kính đóng vai trò giống như một cái chăn giúp ủ ấm hành tinh và nhanh chóng đẩy nhiệt độ lên rất cao.

Một giả thuyết khéo léo khác đã lập luận rằng màu đen của lớp vỏ Trái Đất trong giai đoạn đầu đã hấp thụ nhiệt tốt hơn rất nhiều so với bề mặt hiện nay. Ngày nay, đại dương hấp thụ ánh sáng Mặt Trời tốt hơn so với đất liền. Một giả thuyết khác thì lại chỉ ra một lượng lớn khí metan trong bầu khí quyển sơ khai đã gây ra một hiệu ứng nhà kính vô cùng mạnh mẽ, tạo nên một đám mây mù dày đặc và biến Trái Đất màu xanh da trời trở thành một tinh cầu màu cam không khác gì lắm so với vệ tinh Titan của Sao Thổ.

Dù có rất nhiều các giả thuyết khác nhau đã được đặt ra, nhưng chúng ta hoàn toàn có thể chắc chắn rằng sự xuất hiện của nước đã làm thay đổi toàn bộ cảnh quan trên Trái Đất. Nước giúp tạo hình đất đai, “sản xuất” ra ngày càng nhiều các loại khoáng sản và xa hơn là trở thành một “cái nôi” thúc đẩy sự xuất hiện và phát triển của sự sống.