 莱斯大学，耶鲁大学和东京大学的地球科学家们为长期困扰我们的问题提供了一个新的答案，这个问题是我们这个星球是如何获得含氧大气的。研究团队建立的一个新的模型，这个模型借鉴了岩石学、地球动力学、火山学和地球化学等多学科的研究成果，论文发表在《自然地球科学》期刊网络版上。他们认为地球含氧大气层是大陆板块形成的必然结果。 “这个概念非常简单，但是要完全理解它需要了解地球运行方面的知识，”莱斯大学地球科学教授，这项研究的第一作者Cin-TyLee说。“我最常用的类比是漏水的浴缸。浴缸里水的高度是由水龙头中水流出的速度和从排水管中排出的水的速度共同决定的”植物和某些类型的细菌产生氧气作为光合作用的副产品。氧气的产生是动态平衡的(和水槽原理相同)：氧与地壳中的铁和硫发生反应，与有机碳发生逆反应。例如，我们呼入氧气呼出二氧化碳，从本质上看，是从大气层中去除了氧气。总之，要讲清楚我们大气层中氧气的故事，要了解源于汇，但是要把这30亿年的故事展开来讲述清楚确实有点复杂。” Lee与莱斯大学的劳伦斯杨和AdrianLenardic，耶鲁大学的瑞恩麦肯齐和东京大学的佑介横山合作进行了这项研究。作者的解释是建立在一个新模型基础上，这个模型研究结果表明氧气在两个关键时期是如何加入地球大气层的：一个是20亿年前，另一个是6亿年前。 今天，地球大气层中的20%是游离态氧，O2。游离氧不与其它元素结合，与其它大气中的气体如二氧化碳和二氧化硫中的氧原子类似。地球45亿年历史中的大部分时间里，游离氧在大气层几乎是不存在的。 “它们不是完全没有，只是非常稀有”Lee说。“在火星、金星和地球这样的岩石星球上，氧实际上是最丰富的元素之一。它们与许多其它元素形成强化学键，因此氧往往被锁定在氧化物中，这些氧化物存在于岩石星球的内部。从这个意义上说，与其它星球相比，地球也不例外;地球上的氧被锁定在地下岩石内部。” Lee和他的同事们认为，大约25亿年前，地球的大陆地壳组成发生了根本改变。Lee说，这个时期，正好与大气中氧气含量首次跃升期一致，这一时期也有一个显著标志，大量的矿物颗粒(被称为锆石)的出现。 “锆石的出现告诉我们原因，”他说。锆石是特殊成分熔岩结晶的产物，它们的现身表明，火山发生了从贫硅到富含硅的深刻变化。这与大气组成有相关性，比起贫硅岩石，富含硅的岩石含铁量少得多，而且铁和硫会与氧反应形成氧下沉。 “基于这一点，我们认为氧含量首次跃升可能是由于氧下沉效率的大幅下降，”Lee说。“在浴缸比喻中，这相当于堵住排水口。” Lee说，该研究表明，大气中氧气含量第二次跃升与产生氧气的变化有关，在浴缸比喻中，就是与水龙头中流出的水量变化有关。 “浴缸的比喻既容易理解又很简练，但是我们还需要考虑一个问题”，他说。“氧气的产生要与全球碳循环联系起来，碳循环是碳在地球、生物圈、大气和海洋之间的循环。” Lee说，该模型显示，地球的碳循环从未出现在一个稳定状态下，因为火山活动，二氧化碳从地球深处移动到表面，碳在缓慢泄露。二氧化碳是光合作用的主要成分之一。 “在地球较长的地质时间里，由于浓缩形态碳的产生，如有机碳和碳酸盐，碳从大气中移除，”他说。“在地球历史的大部分时间里，大部分碳没有沉积在深海中，而是沉积在大陆上。碳沉积在大陆表面而不再返回地球内部，这种影响是深远的。相反，在大陆受到火山活动影响时，它放大了碳向大气层的输入量。” Lee说，该模型显示，火山活动和其它地质活动将碳输入到大气中，输入量会随着时间变化而增加，与此同时，由于氧气产生与碳的产生紧密相关，因此氧的产生量也一定是增加的。该模型表明，在大气中的氧气量的二次上升，在地球历史的晚些时候发生。 “以模型为依据，可以确定的是，大陆地壳的形成自然会导致两次大气中氧气含量的跃升，和我们在化石记录中研究结果是一致的。”Lee说。 在第一次氧气含量跃升期，究竟是什么导致了地壳组成的变化，这仍然是一个谜，但是Lee说，该团队认为，它可能与板块构造的运动有关，地球表面，板块首次大幅度移动并下沉到地球的内部。 Lee说，该团队的新模型也存在争议。例如，该模型预测二氧化碳的产生一定随时间的变化而增加，这一发现与传统观点相违背，传统观点认为碳通量和大气中的二氧化碳水平在过去40亿年稳步下降。 “我们模型中所描述的碳通量变化发生在极长的一段时期，如果认为这个过程带来了我们地球上正在发生的气候变化，那么这个想法是不正确的。”他说。“我们的工作表明，地球科学家和生物学家需要重新审视我们所了解的地球早期历史。” 举报
|
|
|
