vulkanismi

Muutama vuosi sitten tuntematon meteoriittien etsijä löysi 453-grammaisen epätavallisen kiven hiekkadyyniltä Mauritaniasta. Vuonna 2017 se myytiin alueella käyneelle tutkijalle, ja on nyt nimetty tunnuksella NWA 11119. (Sivukommentti: Se on siis järjestyksessä 11119. Luoteis-Afrikasta (North-West Africa) löydetty ja nimetty meteoriitti.)

Kivi on meteoriitiksi epätavallisen näköinen. Pinnan sulamiskuori on oliivinvihreä ja sisempi aines vaaleampaa kuin useimmissa meteoriiteissa. Kiveä täplittävät kauniin vihreät pyrokseenikiteet.

Varsinaisesti meteoriitin tekee kuitenkin erikoiseksi kaksi asiaa: sen ikä ja kivilaji. Kumpikaan ei yksinään ole kovin erikoinen asia, mutta yhdessä ne kertovat jotain ennenkuulumatonta aivan Aurinkokunnan alkuajoista.

Tutkimus aiheesta julkaistiin Nature Communications -julkaisusarjassa.

Kumpi oli ensin - tulivuori vai planeetta?

Noin 4,6 miljardia vuotta sitten Aurinkokuntamme alkoi muotoutua (tähtitieteellisesti) pienen pöly- ja kaasupilven tiivistyessä. Sen keskelle syttyi Aurinko. Ympäröivä aines painui pyöriväksi kiekoksi, jossa pöly ja ainemuruset takertuivat ja törmäilivat toisiinsa, synnyttäen aina vain suurempia kappaleita, jotka jatkoivat edelleen yhdistymisiään. Syntyi kilometrisiä "planetesimaaleja", niistä edelleen protoplaneettoja, ja lopulta planeettoja.

Sama prosessi jatkuu yhä. Kaikkein viimeisimpiä planeettojen kokoa kasvattavia hitusia ovat niiden pinnalle putoavat meteoriitit. Nyt me vain satumme olemaan täällä, tulkitsemassa hitusten mukana tulevaa tietoa muinaisesta maailmasta.

Analyysien mukaan NWA 11119 on 4,5651–4,5645 miljardin vuoden ikäinen. Se siis syntyi kymmeniä tai satoja miljoonia vuosia ennen Maata tai muita planeettoja ja edustaa näin Aurinkokunnan vanhimpia aineksia. (Sivukommentti: Se ei kuitenkaan ole juuri se kaikkein vanhin löydetty meteoriitti. Tuo titteli on tällä haavaa NWA 2364:llä, josta on mitattu vielä 3–4 miljoonaa vuotta NWA 11119:kin vanhempia ikiä.)

Monet NWA 11119:n ominaisuudet kertovat sen olevan selkeästi vulkaanista alkuperää. Kolmannes kivestä on tridymiittia, kvartsin kaltaista suuressa lämpötilassa syntyvää silikaattimineraalia. Vastaavia osuuksia tridymiittiä on tähän mennessä löydetty ainoastaan joistain Maan vulkaanisista kivistä. Kiveä täplittävä pyrokseeni taas syntyy kiteytymällä sulasta magmasta paineen pienentyessä. Kivessä on lisäksi paljon merkkejä nopeasta jäähtymisestä, mistä voi päätellä kiven päätyneen vauhdilla hyvin kuumasta hyvin kylmään. Tärkeintä kuitenkin on meteoriitin kivilaji, andesiitti.

Andesiittia syntyy tiettävästi ainoastaan monimutkaisten geologisten prosessien myötä. Emokappaleen täytyy ensinnäkin olla varsin pitkälle "differentioitunut" eli erottunut: raskaat aineet ovat vajonneet sen sisällä syvemmälle samalla kun kevyemmät aineet kelluvat pinnalla. Myöhemmin raskaamman syväaineksen täytyy nousta sulana pintaan paineen vaikutuksesta, ja matkalla osan siitä pitää kiteytyä. Magman tulee myös pystyä sulattamaan päällä olevaa silikaattista kevyttä materiaa, minkä jälkeen kivisulien tulee sekoittua, ennen pinnalle purkautumista.

Maapallolla andesiittia löytyy etenkin saarikaarten tulivuorista. Merellisen basalttisen laatan painuessa mantereisen alle se sulaa, ja magma alkaa nousta ylöspäin. Pinnalle syntyy tulivuoria, joista joistain purkautuu andesiittista laavasekoitusta.

Videolla pyöritellään palasta tutkittua meteoriittia.

Andesiittia on toistaiseksi löydetty lähinnä Maasta. Lisäksi siitä on löydetty viitteitä ainakin Marsista. Kivilajin on pitkään oletettu syntyvän vain varsin suurilla ja pitkälle kehittyneillä planeetoilla, ehkä protoplaneetoillakin

Muinaista andesiittia on kuitenkin löydetty myös meteoriiteista aiemminkin, mutta nuo kivet ovat olleet selvästi NWA 11119:ä nuorempia. Niiden emo(proto)planeetoilla oli 40 miljoonaa vuotta enemmän aikaa kasvaa ja differentioitua.

NWA 11119 on nyt kaikkein vanhin tunnettu magmakivestä koostuva meteoriitti - tai magmakivi ylipäätään. Sen materia on siis alunperin purkautunut sulana jonkin suurehkon emo(proto)planeetan syvemmistä kerroksista pinnalle. Oletetun syntyprosessin mukaan emon aines myös lieni varsin pitkälle erottunutta. Toistaiseksi ei kuitenkaan ymmärretä, kuinka riittävän suuria protoplaneettoja olisi vielä ehtinyt syntyä vain muutaman miljoonan vuoden ikäisessä Aurinkokunnassa.

Nyt tehty löytö joko työntää Aurinkokunnan syntyä hieman taaksepäin, tai antaa aiheen pohtia voisiko andesiittia syntyä muutoinkin kuin vain suurilla pitkälle kehittyneillä (proto)planeetoilla.

NWA 11119 lieneekin siis peräisin joltain aiemmin tuntemattomalta emokappaleelta, minkä kokoinen se sitten olikin - planetesimaali, protoplaneetta tai jotain muuta. Suurin osa tuosta kappaleesta on luultavasti käytetty jonkin planeetan rakennusaineeksi, tai sitten se on levinnyt avaruuteen suuren törmäyksen ansiosta. (Sivukommentti: Happi-isotoopianalyysin myös meteoriitit NWA 7235 ja Almahata Sitta saattavat olla peräisin samalta kappaleelta. Jos näin oli, ne ovat kuitenkin peräisin täysin eri alueelta sen pinnalla.)

"Tämä tutkimus on avain siihen, kuinka planeettojen rakennuspalikat muodostuivat. Olemme nyt löytäneet periaatteessa puuttuvan palasen palapeliimme. Siitä näkee, että tuliperäiset prosessit toimivat pienten masuunien tavoin ja prosessoivat suuren osan Aurinkokunnan kiinteistä aineista. Lopulta se johti planeettojenkin syntymiseen", summaa tutkimuksessa mukana ollut, Uuden Meksikon yliopiston meteoriitti-instituutin johtaja Carl Agee.

Löydön myötä vaikuttaa siltä, että vulkanismi (ja raskaiden ja kevyiden aineiden erottuminen) saattoikin käynnistyä jo paljon aiemmin ja paljon pienemmillä kappaleilla kuin on aiemmin oletettu. Kauan ennen kuin ne planeetan kokoisia kappaleita muodostui.

Lähteet: Srinivasan ja kumpp.: Silica-rich volcanism in the early solar system dated at 4.565 Ga (Nature Communications 2018); Arizonan valtionyliopiston tiedote.

Aloituskuva: ASU Center for Meteorite Studies

Tuoreen tutkimuksen mukaan myös dinosaurusten valtakauden alkua siivitti katastrofi, 232 miljoonaa vuotta sitten sattunut joukkotuho. Triaskauden loppupuolella, Carnia- ja Noricum-vaiheiden rajalla ilmasto näyttää muuttuneen hyvin rajusti.

Syypää on tutkijoiden mukaan todennäköisesti voimakas vulkanismi, joka tuolloin käynnistyi nykyisen Kanadan länsiosien ja Alaskan alueella. Tulivuoret syytivät ilmaan savua, tuhkaa ja erilaisia kaasuja, jotka saivat ilmaston lämpenemään ja muuttumaan aiempaa huomattavasti kosteammaksi.

Suuri osa silloisista eläinlajeista ei pystynyt sopeutumaan nopeisiin muutoksiin, mutta dinosauruksille kosteat olot tarjosivat tilaisuuden ottaa Maan herruus haltuunsa. Dinosauruksia oli esiintynyt jo triaskauden alusta lähtien, mutta ne olivat harvinaisia ensimmäisten 13 miljoonan vuoden ajan.

Tutkijat ovat nyt tarkastelleet Italian Dolomiiteilta löytyneitä dinosaurusten kivettyneitä jalanjälkiä. Carnia-vaiheen mullistuksia edeltävältä ajalta jälkiä ei ole ollenkaan, sitten niitä on paljon. Ajallinen raja on hyvin selvä.

Tulkintaa tukevat Argentiinasta ja Brasiliasta tehdyt fossiililöydöt, joiden perusteella dinosaurukset yleistyivät siellä samaan aikaan lähes räjähdysmäisesti.

Campi Flegrei on suuri, mutta paikan päällä varsin huomaamaton tulivuori. Se ei itse asiassa edes ole vuori, vaan pari sisäkkäistä loivareunaista kalderaa (eli romahduksessa syntynyttä kattilalaaksoa). Laakson alueelta löytyy useita purkausaukkoja - joista useat sitten näyttävät omilta pieniltä vuoriltaan. Vuorten laella on vielä näihin yksittäisiin pihauksiin liittyviä pienempiä kalderoita.

Campi Flegrei on vähintäänkin 160 000 vuoden ikäinen. Se on purkautunut 1000–50 000 vuoden välein varsin voimakkaasti (räjähtävyystaso VEI 6–7). Näiden isojen räjähdysten väliin mahtuu lukuisia maltillisempia purkauksia.

Vuoren iäksi sanotaan kuitenkin monissa lähteissä vain 40 000 vuotta. Tuolloin nimittäin sattui vuoren kaikkein suurin tunnettu ja myös tuhoisin purkaus. Sen tuottamat kerrokset peittivät ja/tai tuhosivat suurimman osan vanhemmista jäljistä.

Campi Flegrei on suuri tulivuori Italiassa. Se ulottuu Napolin keskustasta länteen aina Tyrrhenanmeren rannalle asti.

Viime aikoina vuori on ollut erityisen paljon uutisissa, sekä uuden aktiivisuusjakson että tuoreiden tutkimusten vuoksi. Vuoresta puhutaan usein mediassa vaarallisena "supertulivuorena", koska se on purkautunut aikoinaan erittäin voimakkaasti. Lisää vanhemmista episodeista toisessa Campi Flegrei -jutussamme.

Mutta millaista on nyt odotettavissa?

Seuraavan viikon ajan maanpinnan alla avautui pitkä sulaa kiveä täynnä oleva rako. Mittausten mukaan raon leveys oli keskimäärin vain parisen metriä, mutta korkeus hulppeat viisi kilometriä. Halkeama kulki käytännössä täsmälleen mannerlaattojen erkanemislinjaa pitkin, sillä se oli helpoin suunta murtaa.

Mustat savuttajat ovat merenpohjassa, mannerlaattojen mereisissä saumakohdissa olevia purkausaukkoja, joista suihkuaa yli 400 asteen lämpötilassa olevaa vettä. Tumma väritys johtuu sulfideista, joita on liuennut maankuoresta kuumaan veteen.

Kilometrien syvyydessä vallitseva suuri paine pitää veden korkeasta lämpötilasta huolimatta nestemäisessä olomuodossa. Vesi on paitsi kuumaa myös hapanta, jokseenkin etikan luokkaa. Mustien savuttajien ympärillä on usein kukoistavia eliöyhdyskuntia, jotka käyttävät ravintonaan veteen liuenneita kemiallisia yhdisteitä. 

Kiteytyneet metallisulfidit voivat muodostaa valtavia malmiesiintymiä merenpohjaan. 

Ensimmäiset mustat savuttajat löydettiin vuonna 1977 Galápagossaarten lähistöltä. Nykyään niitä tiedetään olevan ainakin Atlantin valtameressä ja Tyynessä valtameressä, keskimäärin 2 100 metrin syvyydessä. 

Jupiterin Europa-kuun 100 kilometriä syvän meren pohjassa arvellaan olevan vastaavanlaisia muodostelmia.

© MARUM Forschungszentrum Ozeanränder, Universität Bremen

Sulan kiviaineksen eli magman lämpötila on vähintään satoja, usein yli tuhat celsiusastetta, joten merivesi on trooppisimmillakin seuduilla paljon sitä viileämpää.

Kun kuuma laava joutuu kosketuksiin "kylmän" veden kanssa, laavavirtauksen pinta jäähtyy nopeasti ja muodostaa ohuen, kiinteän kuoren. Laavaa tulvii kuitenkin koko ajan lisää, mikä kasvattaa pallomaiseksi jähmettyneen laavamuodostelman sisällä vallitsevaa painetta.

Paineen kasvaessa riittävän suureksi kuori halkeaa, ja kuuma laava pääsee jälleen suoraan kosketuksiin veden kanssa. Prosessi toistuu, kunnes purkauspaikalla on jonottain ja riveittäin kivisiä pallukoita, jotka muistuttavat tyynyjä.

Vähitellen laava jäähtyy myös "tyynyjen" sisällä. Kuoren nopea jäähtyminen tekee siitä hyvin hienorakeisen, usein pinnaltaan lasimaisen, mutta hitaammin jäähtyvät sisäosat ovat hieman karkearakeisempia.

Tyynylaavaa löytyy myös Suomesta, mutta sillä on ikää pari miljardia vuotta. Silloin täälläkin oli tulivuoria. Muinaisen vulkanismin jäljet näkyvät jäätiköiden hiomissa kallioissa pyöreähköinä muodostelmina. 

Helsingin Vuosaaressa on jopa Tyynylaavantie, mutta kadunnimen antanut kalliomuodostelma räjäytettiin rakennustöiden tieltä 1990-luvun loppupuolella.

Kuva: OAR/National Undersea Research Program

Vielä 1960-luvulla arveltiin, että Kuun kraatterit tai ainakin iso osa niistä olisi syntynyt tulivuoritoiminnan seurauksena. Vaikka kuulennot osoittivat käsityksen vääräksi, Kuussa on kuitenkin ollut vulkanismia: onhan Maata kohti kääntyneellä puoliskolla laajoja tulvatasankojakin, joita muinoin pidettiin merinä.

Kuun pinnalta on löytynyt muutamasta paikasta pieniä lasipalloja, jotka kertovat yhdestä tulivuoritoiminnan tyypistä. Palloset ovat syntyneet pyroklastisessa purkauksessa eli sulan kiviaineen suihkutessa ylös kovalla paineella pinnan alta. Vastaavia laavasuihkuja esiintyy Maassakin, esimerkiksi Havaijilla, joten niiden synty tunnetaan melko hyvin.

Maan uumenissa liikkuvan magman seassa on useita kaasuja ja/tai helposti kaasuuntuvia aineita. Ne laajenevat sulan kiven kohotessa kohti pintaa, ja lisäävät samalla magman painetta. Kun magma kaasuineen pääsee viimein pinnalle saakka, tapahtuu räjähdysmäinen purkaus. Pienimmilläänkin kyse on näyttävästä "tulisesta suihkulähteestä". Maasta purskuavat kivipisarat jähmettyvät nopeasti löydetyn kaltaisiksi pieniksi pallosiksi.

Ilmiötä voi jäljitellä ravistamalla virvoitusjuomapulloa ja avaamalla sen sitten – tätä ei kuitenkaan kannata kokeilla kotioloissa tai ainakaan sisätiloissa. 

Kuun laavasuihkujen kohdalla ongelmana on ollut, etteivät tutkijat ole tienneet, mikä kaasu on saanut aikaan sikäläiset purkaukset. "Kaasu on kadonnut aikoja sitten, joten sen selvittäminen ei ole ollut helppoa", toteaa Alberto Saal, joka tutkimusryhmineen on nyt löytänyt arvoitukseen mahdollisen ratkaisun. 

Kuun laavasuihkuissa purkautuneessa laavassa on ollut huomattavan paljon hiiltä. Kun laava on kohonnut syvyyksistä kohti pintaa, hiili on reagoinut hapen kanssa ja muodostunut suuren määrän hiilimonoksidia. Ja se on saanut aikaan voimakkaan purkauksen, kun laava on päässyt pinnalle saakka. 

Pitkään oltiin siinä käsityksessä, että Kuussa ei ole vedyn ja hiilen kaltaisia helposti haihtuvia aineita. Vasta vajaa vuosikymmen sitten niistä tehtiin luotettavia havaintoja. Vuonna 2008 Saalin ryhmä löysi vulkaanisista lasipalloista vettä, sitten myös rikkiä, klooria ja fluoria. 

Mikään näistä aineista ei kuitenkaan sopinut laavasuihkujen "voimanlähteeksi". Jos purkauksia olisi aiheuttanut esimerkiksi vesi, siitä olisi pitänyt jäädä jälkiä Kuusta tuotuihin näytteisiin. Sellaisia ei kuitenkaan ole havaittu.

Naapuriplaneettamme Venus on ollut hyvin tuliperäinen maailma. Sen pinnasta noin 80 prosenttia on vain joidenkin satojen miljoonien vuosien ikäisten laavakenttien peitossa ja ympäri planeettaa on satoja sammuneita tulivuoria. Tutkijoita on askarruttanut jo pitkään, onko Venuksessa edelleen vulkanismia. Nyt näyttää siltä, että vastaus on kyllä.

Venuksen pinnan tutkiminen on hankalaa, sillä planeettaa verhoaa paksu ja pysyvä pilviverho. Tutkan avulla on kuitenkin mahdollista kartoittaa maastonmuotoja ja infrapunasäteilyn aallonpituuksilla saadaan tietoa pinnan lämpötilasta.

Jo vuonna 2010 havaittiin Euroopan avaruusjärjestön Venus Express -luotaimen avulla, että kolmen vulkaanisen muodostelman alueella infrapunasäteily oli hieman ympäröiviä seutuja voimakkaampaa. Sen tulkittiin tarkoittavan, että alueiden laavavirrat ovat melko nuoria, kenties alle 2,5 miljoonan vuoden ikäisiä.   

Kaksi vuotta myöhemmin julkaistiin tieto, että vuosina 2006–2007 kaasukehän yläosien rikkidioksidipitoisuus kasvoi selvästi ja väheni sitten hitaasti seuraavien vuosien aikana. Se puolestaan saattoi olla merkki tulivuoritoiminnasta, joka vapautti rikkidioksidia Venuksen kaasukehään. 

Nyt ESAn luotaimen välittämistä tiedoista on laadittu karttoja eri alueiden lämpösäteilystä ja niissä näkyy selviä muutoksia jopa muutaman päivän kuluessa. Havainnot on tehty Venus Expressin VMC-kameralla (Venus Monitoring Camera).

Maapallolla on noin 1 500 tulivuorta, jotka ainakin periaatteessa voivat vielä purkautua, sekä tuntematon määrä merenpohjassa olevia purkausaukkoja. Viitisensataa tulivuorta on purkautunut historiallisena aikana ja joka hetki on käynnissä 10–20 purkausta eri puolilla maailmaa.

Miten se liittyy elämään ja sen etsintään?

Tutkijat yrittävät selvittää tuntemiemme purkausten ja niiden seurausten avulla, miltä eksoplaneetoilla mahdollisesti esiintyvä vulkanismi näyttää eli millaisia merkkejä se jättää muita tähtiä kiertävistä planeetoista heijastuneeseen valoon.

Mutta entä se elämä?

Nykykäsityksen mukaan tuliperäinen toiminta on ollut merkittävä tekijä Maan elämän synnyn ja kehityksen kannalta. Tulivuorenpurkausten vapauttamat kaasut tekevät kaasukehän koostumuksesta elämälle suotuisan, ja vulkanismin taustalla oleva laattatektoniikka eli mannerlaattojen liike kierrättää esimerkiksi hiilidioksidia kaasukehän ja planeetan kuoren alla olevan vaipan välillä. 

Ilman tulivuoritoimintaa Maassa ei olisi elämää. Entä muualla?

Washingtonin yliopistossa on kehitetty menetelmä, jolla vulkanismin vaikutukset eksoplaneetan kaasukehään voidaan havaita, kun se kulkee tähtensä editse. Oleellista on se, millaisia purkauksia planeetan pinnalla tapahtuu. 

Pienempien ja rauhallisempien purkausten jäljet katoavat kaasukehästä melko nopeasti, mutta hyvin voimakkaissa räjähdysmäisissä purkauksissa kaasua ja pölyä kulkeutuu kymmenien kilometrien korkeudelle. Siellä se voi pysytellä kuukausien tai vuosien ajan.

Kaasukehän yläosien koostumus vaikuttaa eksoplaneetasta heijastuneeseen valoon ja se on kenties mahdollista havaita tehokkailla kaukoputkilla, esimerkiksi vuonna 2018 laukaistavalla Webb-avaruusteleskoopilla. 

"Jos voimme havaita eksoplaneetalla tulivuorenpurkauksia ja jos se kiertää tähteään elinkelpoisella vyöhykkeellä, sitä voi pitää lupaavana ehdokkaana elämän esiintymisen kannalta", arvioi tutkimusta johtanut Amit Misra, joka oli muiden ryhmän jäsenten tavoin työtä tehtäessä vasta jatko-opiskelija. 

Vulkanismin avulla saattaa olla mahdollista päätellä planeetan elinkelpoisuuden ohella myös se, onko sen pinnalla todella elämää. Happea on perinteisesti pidetty merkkinä elämän esiintymisestä, mutta sitä voi vapautua kaasukehään myös elottomissa prosesseissa.

Jos eksoplaneetalla havaitaan viitteitä sekä vulkanismista että hapesta, elämän todennäköisyys on suurempi. Tulivuorenpurkauksissa vapautuvat kaasut reagoivat hanakasti hapen kanssa, jolloin kaasukehän vapaa happi vähenee. Mikäli happea silti esiintyy, sitä täytyy vapautua jatkuvasti lisää huomattavia määriä – ja silloin elämä on vankka vaihtoehto.

Tutkimuksesta kerrottiin Washingtonin yliopiston uutissivuilla ja se julkaistiin Astrobiology-tiedelehden kesäkuun numerossa. 

Kuva: NASA