KETIKA INTI BUMI MENELAN ATMOSFERNYA

Atmosfer Bumi aneh di antara planet-planet berbatu. Venus dan Mars, meski tekanannya sangat berbeda, sama-sama punya udara yang terdiri atas sekitar 95% karbon dioksida dan beberapa persen nitrogen. Atmosfer Bumi miskin karbon dioksida dan kaya oksigen. Sebagian perbedaan itu berasal dari miliaran tahun geologi dan kehidupan. Namun planet-planet itu mungkin juga memulai dengan persediaan berbeda dari unsur-unsur pembentuk atmosfer dan makhluk hidup: hidrogen, karbon, dan nitrogen.

Vera Sparrman dari Universitas Kopenhagen dan Anders Johansen dari Kopenhagen dan Universitas Lund di Swedia kembali ke awal mula: masa ketika Bumi masih tumbuh, di dalam piringan gas dan debu di sekitar Matahari muda.

Hujan besi menembus lautan magma

Pada tahap itu, panas yang dilepaskan material yang datang menjaga mantel planet tetap cair. Bumi yang tumbuh diselimuti lautan magma global. Setiap kepingan material baru membawa batuan, yang bergabung dengan magma, dan logam besi-nikel, yang tenggelam menembusnya dalam bentuk tetesan — jatuh sekitar satu meter per detik — untuk membangun inti. Gas dari atmosfer larut ke dalam magma, dan sebagian di antaranya pada gilirannya larut ke dalam logam yang jatuh. Hujan besi pun dapat membawanya sampai ke bawah.

Para penulis memodelkan pertukaran antara atmosfer, lautan magma, dan inti ini lapis demi lapis, dari benih bermassa 2% massa Bumi hingga 64% — kira-kira proto-Bumi sebelum tabrakan raksasa yang membentuk Bulan. Jumlah total hidrogen, karbon, dan nitrogen disesuaikan dengan perkiraan untuk Bumi masa kini, termasuk yang diduga tersembunyi di intinya.

Dua cara membangun planet

Mereka membandingkan dua cara tumbuh:

• Akresi kerikil (pebble accretion): Bumi menyapu kerikil berukuran milimeter hingga sentimeter. Ketika lingkungan sekitar planet memanas, butiran kecil ini kehilangan bahan volatilnya sebelum tiba. Hidrogen berhenti datang hampir seketika; karbon dan nitrogen berhenti sekitar massa Mars. Zat volatil datang lebih awal.
• Akresi planetesimal: Bumi tumbuh dari benda berukuran ratusan meter atau lebih, yang melindungi zat volatil di dalamnya. Pengantaran berlangsung terus-menerus.

Datang awal, terkubur dalam

Waktu ternyata sangat menentukan. Dengan pengantaran awal, setiap bagian logam yang turun sesudahnya terus menggosok magma. Dalam skenario kerikil, sekitar 70% hidrogen dan 69% karbon berakhir di inti. Dengan pengantaran terus-menerus, inti mengambil paling banyak sekitar separuh, dan mantel serta atmosfer menyimpan kira-kira dua kali lebih banyak. Proporsi ini berasal dari kumpulan pengukuran laboratorium yang dijadikan acuan oleh para penulis; seperti akan kita lihat, kumpulan lain memberi angka yang sangat berbeda.

Ke mana hidrogen, karbon, dan nitrogen berakhir saat proto-Bumi yang dibangun dari kerikil tumbuh dari 0,02 hingga 0,64 massa Bumi: inti (merah tua), lautan magma (jingga), atmosfer (biru). — Gambar 4 (baris atas), Sparrman dan Johansen (2026), arXiv:2610.27788.

Kelarutan — seberapa banyak suatu gas dapat dilarutkan magma pada tekanan tertentu — menentukan siapa yang lolos: hanya yang sudah terlarut dalam magma yang bisa terangkut oleh butiran logam yang jatuh melewatinya. Air mudah larut, sehingga hidrogen terpapar hujan besi dan tenggelam dengan efisien. Karbon monoksida jauh lebih sukar larut, sehingga pada setiap saat sebagian besar karbon tetap berada di udara; tetapi semua logam yang datang sesudahnya menguras bagian yang terlarut, yang segera diisi ulang oleh atmosfer, dan pada akhirnya 69% karbon tetap turun juga. Nitrogen adalah contoh sebaliknya: afinitasnya terhadap logam lebih besar daripada hidrogen, tetapi hanya 4% yang mencapai inti — ia begitu sukar larut sehingga hampir tidak pernah berada di tempat hujan besi melintas, dan 93% tetap di atmosfer. Ketidaklarutan justru melindungi.

Langit berat karbon monoksida

Yang tersisa di akhir skenario kerikil adalah atmosfer purba yang tebal, sekitar 760 bar — udara yang kita hirup berbobot 1 bar di permukaan laut, dan udara Venus 92 bar. Atmosfer ini didominasi karbon, sebagian besar dalam bentuk karbon monoksida (sekitar 710 bar), dengan sekitar 39 bar hidrogen dan 1,7 bar nitrogen. Karbon yang lolos dari inti dan berakhir di atmosfer itu setara dengan kira-kira 15 kali karbon dioksida di atmosfer Venus saat ini; nitrogennya, kurang lebih sebanyak nitrogen Venus. Skenario planetesimal menghasilkan langit yang lebih berat lagi, sekitar 1.350 bar, dengan komposisi serupa.

Atmosfer proto-Bumi yang dibangun dari kerikil saat tumbuh: begitu pengantaran berhenti, hujan besi terus menguras hidrogen dan karbon, dan karbon monoksida (garis putus-putus merah) mendominasi. — Gambar 7 (atas), Sparrman dan Johansen (2026), arXiv:2610.27788.

Setelah akresi berakhir, para penulis memperkirakan mantel akan teroksidasi dan atmosfer bergeser ke arah air dan karbon dioksida, dengan lautan yang mengembun. Jika diekstrapolasi ke massa Venus, model ini memberikan awal yang serupa, sekitar 500 bar karbon monoksida; para penulis menduga bahwa tektonik lempeng Bumi, yang mengubur karbon, dan bukan kelahiran yang berbeda, dapat menjelaskan mengapa kedua planet itu menempuh jalan yang berbeda.

Lewat jalan mana Bumi tumbuh?

Pada prinsipnya, jumlah yang tersisa dapat mengungkap bagaimana Bumi terbentuk. Model kerikil dengan data acuan adalah satu-satunya yang cocok dengan perkiraan yang telah diterbitkan untuk ketiga unsur di mantel saat ini. Namun perkiraan-perkiraan itu saling bertentangan kira-kira sebesar perbedaan antarmodel, dan pengukuran laboratorium tentang bagaimana unsur-unsur ini terbagi antara logam dan batuan berbeda beberapa orde besaran — dengan kumpulan data lain, seluruh hidrogen berakhir di inti. Kelarutan karbon monoksida dalam magma adalah masukan yang paling berpengaruh sekaligus paling sedikit diketahui. Eksperimen yang lebih baik, para penulis menyimpulkan, dapat mengubah komposisi bagian dalam Bumi menjadi catatan tentang bagaimana planet ini dibangun.