為什麼地球會有一個含氧大氣層 新研究給出答案

萊斯大學，耶魯大學和東京大學的地球科學家們為長期困擾我們的問題提供了一個新的答案，這個問題是我們這個星球是如何獲得含氧大氣的。研究團隊建立的一個新的模型，這個模型借鑑了巖石學、地球動力學、火山學和地球化學等多學科的研究成果，論文發表在《自然地球科學》期刊網絡版上。他們認為地球含氧大氣層是大陸板塊形成的必然結果。

「這個概念非常簡單，但是要完全理解它需要了解地球運行方面的知識，」萊斯大學地球科學教授，這項研究的第一作者Cin-TyLee說。「我最常用的類比是漏水的浴缸。浴缸裡水的高度是由水龍頭中水流出的速度和從排水管中排出的水的速度共同決定的」植物和某些類型的細菌產生氧氣作為光合作用的副產品。氧氣的產生是動態平衡的(和水槽原理相同)：氧與地殼中的鐵和硫發生反應，與有機碳發生逆反應。例如，我們呼入氧氣呼出二氧化碳，從本質上看，是從大氣層中去除了氧氣。總之，要講清楚我們大氣層中氧氣的故事，要了解源於匯，但是要把這30億年的故事展開來講述清楚確實有點複雜。」

Lee與萊斯大學的勞倫斯楊和AdrianLenardic，耶魯大學的瑞恩麥肯齊和東京大學的佑介橫山合作進行了這項研究。作者的解釋是建立在一個新模型基礎上，這個模型研究結果表明氧氣在兩個關鍵時期是如何加入地球大氣層的：一個是20億年前，另一個是6億年前。

今天，地球大氣層中的20%是游離態氧，O2。游離氧不與其它元素結合，與其它大氣中的氣體如二氧化碳和二氧化硫中的氧原子類似。地球45億年歷史中的大部分時間裡，游離氧在大氣層幾乎是不存在的。

「它們不是完全沒有，只是非常稀有」Lee說。「在火星、金星和地球這樣的巖石星球上，氧實際上是最豐富的元素之一。它們與許多其它元素形成強化學鍵，因此氧往往被鎖定在氧化物中，這些氧化物存在於巖石星球的內部。從這個意義上說，與其它星球相比，地球也不例外;地球上的氧被鎖定在地下巖石內部。」

Lee和他的同事們認為，大約25億年前，地球的大陸地殼組成發生了根本改變。Lee說，這個時期，正好與大氣中氧氣含量首次躍升期一致，這一時期也有一個顯著標誌，大量的礦物顆粒(被稱為鋯石)的出現。

「鋯石的出現告訴我們原因，」他說。鋯石是特殊成分熔巖結晶的產物，它們的現身表明，火山發生了從貧矽到富含矽的深刻變化。這與大氣組成有相關性，比起貧矽巖石，富含矽的巖石含鐵量少得多，而且鐵和硫會與氧反應形成氧下沉。

「基於這一點，我們認為氧含量首次躍升可能是由於氧下沉效率的大幅下降，」Lee說。「在浴缸比喻中，這相當於堵住排水口。」

Lee說，該研究表明，大氣中氧氣含量第二次躍升與產生氧氣的變化有關，在浴缸比喻中，就是與水龍頭中流出的水量變化有關。

「浴缸的比喻既容易理解又很簡練，但是我們還需要考慮一個問題」，他說。「氧氣的產生要與全球碳循環聯繫起來，碳循環是碳在地球、生物圈、大氣和海洋之間的循環。」

Lee說，該模型顯示，地球的碳循環從未出現在一個穩定狀態下，因為火山活動，二氧化碳從地球深處移動到表面，碳在緩慢洩露。二氧化碳是光合作用的主要成分之一。

「在地球較長的地質時間裡，由於濃縮形態碳的產生，如有機碳和碳酸鹽，碳從大氣中移除，」他說。「在地球歷史的大部分時間裡，大部分碳沒有沉積在深海中，而是沉積在大陸上。碳沉積在大陸表面而不再返回地球內部，這種影響是深遠的。相反，在大陸受到火山活動影響時，它放大了碳向大氣層的輸入量。」

Lee說，該模型顯示，火山活動和其它地質活動將碳輸入到大氣中，輸入量會隨著時間變化而增加，與此同時，由於氧氣產生與碳的產生緊密相關，因此氧的產生量也一定是增加的。該模型表明，在大氣中的氧氣量的二次上升，在地球歷史的晚些時候發生。

「以模型為依據，可以確定的是，大陸地殼的形成自然會導致兩次大氣中氧氣含量的躍升，和我們在化石記錄中研究結果是一致的。」Lee說。

在第一次氧氣含量躍升期，究竟是什麼導致了地殼組成的變化，這仍然是一個謎，但是Lee說，該團隊認為，它可能與板塊構造的運動有關，地球表面，板塊首次大幅度移動並下沉到地球的內部。

Lee說，該團隊的新模型也存在爭議。例如，該模型預測二氧化碳的產生一定隨時間的變化而增加，這一發現與傳統觀點相違背，傳統觀點認為碳通量和大氣中的二氧化碳水平在過去40億年穩步下降。

「我們模型中所描述的碳通量變化發生在極長的一段時期，如果認為這個過程帶來了我們地球上正在發生的氣候變化，那麼這個想法是不正確的。」他說。「我們的工作表明，地球科學家和生物學家需要重新審視我們所了解的地球早期歷史。」