海洋氧含量 -海洋氧含量剖面

碧薇 · 发表于海洋科普 2023-11-21 19:05:38

富含氧气，是地球上可以演化出复杂生命体的关键因素，如果大气和海洋里没有氧存在，那么地球上只会有厌氧菌这类生物可以生存。

Tips：在标准状况下,两个氧原子结合形成氧气,是一种无色无臭无味的双原子气体,化学式为O2。氧气不仅占了水质量的89%,也占了空气体积的20.9%。

如果真是这样，地球可能会像火星那样荒凉。不过好在地球依旧处于富氧状态中，如今的大气里含有21%的氧气，供陆地上的所有动植物呼吸。这个氧含量对于现在的生物来说不多不少，如果氧含量偏多或者偏少，对生物来说都是致命的威胁。

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Tips：火星Mars，是离太阳第四近的行星。火星的橘红色外表是因为地表被赤铁矿（氧化铁）覆盖，大气以二氧化碳为主，既稀薄又寒冷，没有稳定的液态水。

值得注意的是，地球大气中的氧含量并不是一成不变的，在历史上氧气含量比现在多或者少的情况都有出现。当然，比起过去我们更担心未来，科学家通过模拟计算，已经得出了一个让人绝望的答案，地球可能发生颠覆性转变！大气氧含量在未来将重回24亿年前。

地球大气一直在变

为什么会提到24亿年前？因为当时的地球还是一片死寂，构成地球大气的主要成分，是甲烷。这是由于大量厌氧菌呼吸作用产生的，原始的海洋中呈现暗红色，整片大陆都是光秃秃的一片，毫无生机。

Tips：甲烷是最简单的有机物，也是含碳量最小，含氢量最大的烃。甲烷在自然界的分布很广，是天然气，沼气，坑气等的主要成分，俗称瓦斯。

改变这一现状的是蓝藻的出现，它们可以通过光合作用释放大量的氧气，并且把二氧化碳固定下来变成能量。在它们统治海洋之后，也就是24.5亿年前，地球大气中的氧含量开始以每年0.02%的速度上升，并在23亿年前达到稳定。

这时，原本统治地球的厌氧菌缩进了地球一隅，鱼类和植物开始出现，地球才进入了生物的黄金时代。到了10亿年前，植物和温暖的环境让大气氧含量再次走高，在2.9亿年前达到了巅峰的35%左右，巨型生物开始出现并统治地球。

Tips：蓝藻又名蓝绿藻，是一类进化历史悠久、革兰氏染色阴性、无鞭毛、含叶绿素a，但不含叶绿体、能进行产氧性光合作用的大型单细胞原核生物。

在此之后，由于某些原因，地球大气中的氧含量开始走下坡路，直到现在维持在21%的稳定状态。未来的大气到底会怎样变化，会不会不再适宜人类居住？这个问题一直困扰着学者。因为大气变化的因素多种多样，如果漏掉了哪怕一点，计算出来的结果也会有非常大的偏差。

Tips：地球科学Geoscience，7大基础学科之一，是以地球系统（包括大气圈、水圈、岩石圈、生物圈和日地空间）的过程与变化及其相互作用为研究对象的基础学科。

学术期刊《自然地球科学》发表了一项研究，研究人员经过模拟，发现地球的氧气含量将在10亿年后开始暴跌，回到24亿年前氧气极度缺乏的时期。这是为什么呢？

为什么氧含量会突然跌落？

为了模拟地球未来的大气变化模型，研究人员进行了详尽的生物圈建模分析。主要因素包含以下几个方面，绿色植物的光合作用，以及大气中的二氧化碳浓度，还有气候温度以及厌氧菌的变化。经过不断地调整优化，研究人员进过40万次的计算机模拟，得到了十分可信的模拟结果。

Tips：厌氧菌anaerobic bacteria也叫厌气菌。是一类在无氧条件下比在有氧环境中生长好的细菌，这类细菌缺乏完整的代谢酶体系，其能量代谢以无氧发酵的方式进行。

在10亿年后，地球大气中的氧含量会突然巨变，只剩0.3%左右，相当于24亿年前厌氧菌统治地球的环境。

为什么会突然跌落？研究人员认为，这是太阳变化的结果。

和过去蓝藻覆盖海洋不同，如今地球上制造氧气最多的是绿色植物，它们通过光合作用，把空气中的二氧化碳转变为淀粉、水和氧气。所以，如果大气中二氧化碳浓度变低的话，植物的光合作用就会变慢。

Tips：全球气候变暖是由于温室效应不断积累，导致地气系统吸收与发射的能量不平衡，能量不断在地气系统累积，从而导致温度上升，造成全球气候变暖。

未来二氧化碳浓度会降低？这在我们看来是个违背常识的谬论，现在全世界都在提倡节能减排，就是为了防止二氧化碳浓度增高加速全球变暖。其实浓度减低并不意味着二氧化碳的量变少了，而是大气中其他成分增多稀释了二氧化碳，才导致了这样的变化。

导致这一变化的罪魁祸首就是太阳，它的聚变反应会越来越不稳定，所以发出的热辐射会越来越强。这会让地球在未来被持续加热，结果引发连锁反应。炎热的气候会让地球大气膨胀，更加稀薄，而且地表中的气体会大量释放，导致大气成分发生改变。

Tips：核聚变nuclear fusion，又称核融合、融合反应、聚变反应或热核反应。太阳是依靠核聚变不断产生热量和光亮的。太阳主要是由氢元素和氦元素组成的,所以只能进行核聚变。

其中最典型的例子就是西伯利亚冰原中的大量甲烷气体，这种温室效应比二氧化碳还要强20多倍的温室气体会加速地球升温，更多气体从地表被释放出来，导致二氧化碳浓度大幅下降。高温加上二氧化碳含量减少，植物会在短时间内快速死亡，这时厌氧菌重新在地球上大量繁殖。

Tips：温室效应，又称“花房效应”。太阳短波通过大气到达地面，地表受热后放出的长波热辐射线被大气吸收，使地表与低层大气温度增高，因其作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。

它们的呼吸作用会释放出大量甲烷气体进一步加速温度升高，让原本生机勃勃的地球回归24亿年前的景象。到这时，别说人类，任何复杂的多细胞生物都不可能存活下来。也就是说，留给人类的时间，最长只有10亿年了。

大气威胁可能比预想要近

对人类来说，10亿年实在是太漫长了，简直到了杞人忧天的程度。自从一万年前冰河世纪结束，人类进入农业文明之后，发展出现在发达的文明，我们只用了几千年的时间。再给我们十亿年的时间准备，就是征服整个宇宙都是可能完成的，到时候一个小小的地球又怎么可能左右人类呢？

Tips：工业4.0则是利用信息化技术促进产业变革的时代，也就是智能化时代。“工业4.0”是德国联邦教研部与联邦经济技术部在2013年汉诺威工业博览会上提出的概念。

但就像一开始讲到的，这类气候模型有一个致命的缺点，就是哪怕漏掉了一个小小的因素，预测结果都会出现大幅偏差。也许地球大气剧变的时间比模拟的要短得多，比如只有短短的几百年，那么就确实需要引起我们的警觉。或者和预测相反，地球大气氧含量将会大幅提高，这对我们来说也是不小的威胁，其中起决定性作用的还是太阳。

在我们眼中，太阳一直都是一个稳定发热的恒星，虽然未来的25亿年间，太阳的温度会缓慢升高，最后衰弱变成红巨星吞噬地球。但总体来说，这种变化非常缓慢，至少千年内应该不会对地球造成什么大的影响。不过事实并非如此，太阳一直处于波动状态。其中最著名的就是太阳黑子的变化周期。

Tips：恒星演化是恒星在生命过程中所经历急遽变化的序列。恒星的演化开始于巨分子云，成年期时形成主序星，中年期时形成红巨星，晚年根据质量不同形成白矮星、中子星或黑洞。

学者早就发现，太阳黑子会有11年一个周期的变化。太阳黑子越多，就表明太阳更加活跃，黑子变少甚至没有，就说明太阳活动减弱，这被称为蒙德极小期，有可能引发地球气温下降。比如说在明清时期，地球就经历过一次小冰期，大范围降温导致我国粮食减产，导致农民起义频发，被认为是明朝衰落的一个重要因素。

Tips：“小冰河期”顾名思义指的是相对而言较冷的时期。历史上的“小冰河期”都导致了地球气温大幅度下降，使全球粮食大幅度减产，由此引发社会剧烈动荡，人口锐减。

目前人类只发现了11年一周期的太阳变化，但这并意味着太阳的变化规律如此简单。也许这颗恒星还有时间跨度更大的周期性变化，只不过人类观察太阳的时间太短而没有发现罢了。

目前，学者已经得出统一的结论，认为气候变暖是正在发生的现象，而且其中影响最大的是太阳。至于人类到底会不会加速全球变暖，到现在还在讨论之中。有人认为，人类燃烧化石燃料释放的二氧化碳总量，远远小于全世界动植物呼吸作用产生的二氧化碳，所以不会加速全球变暖。

Tips：化石燃料也称矿石燃料，是一种烃或烃的衍生物的混合物，其包括的天然资源为煤炭、石油和天然气等，是由死去的有机物和植物在地下分解而形成的，是不可再生资源。

地球会像预测的那样，是太阳变化导致地球升温，导致植物灭绝，厌氧菌再次统治世界。但大多数学者并不赞同这个说法。因为人类燃烧的化石燃料，正好是过去动植物固定在地层里的碳，这和自然状态下产生的二氧化碳有着本质的区别。

现在我们认为，煤炭和石油，是过去生物遗体在高温高压下形成的物质。这些物质来自于植物光合作用，在食物链中循环。植物用来把太阳能和二氧化碳变成淀粉，食草动物吃掉植物转化成肉，再被食肉动物吃掉。这些动植物身体里的碳是植物数亿年来光合作用的结晶，不应该被人类释放出来。这样讲也颇有道理，只不过谁对谁错，也只能留给学者去争论。

Tips：光合作用，通常是指绿色植物（包括藻类）吸收光能，把二氧化碳和水合成富能有机物，同时释放氧气的过程。

我们只知道，地球温度可能会持续升高，最差的结果就是氧含量急剧下降，导致全球物种大灭绝。至于太阳会不会突然发威，以及人类会多大程度地加速变暖过程，我们并不知道。也许，这个过程可能只需要短短数十年的时间。

又或者，大气中的氧含量反而会增高，这对我们来说是好事还是坏事呢？

如果氧气含量不降反升会怎么样？

氧气其实也不是越多越好，它是一把双刃剑，如果含量增高就会在体内产生大量自由基破坏基因，我们的寿命反而会开始下降。这个影响对新生儿更加直观，高浓度的氧气会破坏新生儿不成熟的视网膜，有可能致盲，或者视野缺失，看东西会有黑色的斑点。

Tips：冰河期Ice Age，是在地质历史上曾经出现过气候寒冷的大规模冰川活动的时期。这种冰期曾经有过三次，即前寒武晚期、石炭－二叠纪和第四纪。

有研究显示，氧气含量增高会破坏温室效应，导致地球大范围降温而进入冰河纪。如果大气中氧含量达到35%，那么全球的平均气温会降到-3度，就连赤道附近都会形成冰川。这在历史上也曾发生过，大约在7.17亿年前，地球变成了一个大雪球，持续了上千年的时间。

就算地球中氧含量只提高4%，达到25%，人类统治地球的时候都有可能终结。因为高浓度的氧气会让昆虫向超大体型演化，出现1米长的蜻蜓和其他巨型生物。到那时，我们这类弱小的哺乳动物只会成为他们的盘中大餐。

Tips：二叠纪Permian period是古生代的最后一个纪，也是重要的成煤期。二叠纪开始于距今约2.99亿年，延至2.5亿年，共经历了4500万年。

6000万年前的二叠纪正好如此，哺乳动物大多数都是小型啮齿类，只敢在黑夜出来活动。所以现在大多数哺乳动物都是色盲，只有爱吃水果的灵长类除外。而且氧气含量变高也会增加山火爆发的几率，有可能一道闪电下来就会引发森林大火。

所以对我们来说，21%的氧气含量实在是难容可贵，多点或者少点，我们生存的环境都会发生巨变。

结语：

通过上面的例子，相信大家已经清楚明白了如今的大气有多么珍贵。太阳温度改变，或者温室效应增加，都会让地球的氧气含量大幅变化。

Tips：地球大气层是在地球引力作用下，大量气体聚集在地球周围，形成数千公里的大气层。气体密度随离地面高度的增加而变得愈来愈稀薄。

生态系统非常脆弱，只要一个环节出错就有可能带来灾祸。比如说有学者认为，只要蜜蜂灭绝，大量需要传粉的植物也会跟着灭亡，结果可不是粮食减产那么简单，而是整个生物链的崩溃。

这次学者做出的十亿年预测，只是一个小小的警钟，我们应该从中看到自身的脆弱。地球并不在乎大气中的成分到底是什么，氧气含量多还是少都无所谓，但对人类来说却是生死存亡的指标。

Tips：生态系统ecosystem，指在自然界的一定的空间内，生物与环境构成统一整体。生物与环境之间相互影响、相互制约，并在一定时期内处于相对稳定的动平衡状态。

如今，我们只能希望人类对环境的影响没有那么可怕，并且祈祷太阳不会突然之间变得火爆。防患于未然并不是杞人忧天，等到灾难即将发生，而人类却一无所知的时候，才是最可怕的。

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