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地球科学原理之34 地球将来的氧化-还原平衡

已有 5334 次阅读 2009-5-10 19:29 |个人分类:地球科学|系统分类:科研笔记| 地球科学, 地球演化, 地球科学原理, 氧化-还原平衡, 森林大火

广东海洋大学

廖永岩

(电子信箱:rock6783@126.com

虽然太阳风在逐渐增强,但由于现地球表面已是强氧化性环境,能受太阳风强烈作用的氢已相当少,就算因冰川作用而造成地磁场的消失或反转,因太阳风而失去氢等还原性气体的可能性不大。氧气的分子量达32以上,就算一段时间地磁场完全消失,就目前地球的引力来说,因太阳风作用大量失氧的可能性也不大。因为没有物质的出和入的变化,所以,地球失去氧化性物质或还原性物质的可能性不大,就地球整体(包括固体地球、水圈、生物圈、大气圈等)来说,将来会保持氧化-还原性不变。

因为从今后,地球的去气作用减弱,但仍有一定的去气作用,只要地球还没有完全固化,还有去气作用的话,地壳内部的还原性物质仍将继续排出,所以,地壳以内的还原性将不断减弱,氧化性将不断增强。

虽然目前,人类大量开采煤、石油、天然气等化石燃料,并将其燃烧氧化成二氧化碳和水,但能被人类开采利用的煤、石油和天然气,仅是沉积矿物有机物中的很小一部分,不足沉积矿物有机物的1%(Falkowski et al, 2000),所以,大量的矿物有机物仍将不断沉积而埋入地壳中。这样,地壳的氧化性将减弱,还原性将增强。

由于大量还原性矿物有机物被逐渐埋入地壳中,强氧化性的氧气留在了地表大气中。在地球没有完全固化之前,由于冰川造成的火山喷发和地震,地壳内具有强还原性的物质将不断排出地表。若这些经火山喷发和地震排出地表的还原性物质的还原性,能中和植物光合作用产生的氧气的氧化性,理论上地表的氧化-还原性将不会变化。但是,地球大气中氧气的演化历史也告诉我们,原始地球本没有氧气,地球大气中的氧气的确在不断增加Schlesinger, 1997。所以,由于大量的还原性的矿物有机物被埋入地壳中,将造成了大气中氧化性的氧气的不断积累。而且,随着地球热量的不断散失,地球将不断固化,地球的去气作用将逐渐减弱。在地球去气作用减弱及矿物有机物的不断埋藏的共同作用下,大气中的氧气量将会不断增加。地表的氧化性将不断增强,还原性将不断减弱。

大气中氧气浓度逐渐增大,氧化性不断增强的后果是:由于氧气浓度太高,大气成为富氧大气,在富氧大气里,生物(特别是植物)的着火点降低,大量的植物被烧掉,通过燃烧大量的植物,降低植物的光合作用;植物的光合作用减弱,植物的总生物量将降低。由于植物总量的降低,动物和微生物这些直接或间接以植物为食物的生物量也将相应地降低。由于地表总生物量的降低,高含氧引发的大火就通过降低植物的光合作用降低了矿物有机物的沉积量。通过矿物有机物沉积量的降低,降低大气中氧气的浓度。

通过大火烧掉植物,降低植物的光合作用,最终降低地表的生物量,虽然可以缓解氧气浓度的进一步上升,使地表的氧化性暂时维持在一定水平,但它不可能完全阻止氧气浓度的进一步升高。随着地球热量的散失,地球不断固化,地球的去气作用逐渐减弱最终停止。地壳内不会再补充还原性物质于地表,虽然氧气浓度太高引发的大火使大量植物消亡,减弱植物的光合作用,从而减少整个地表的生物量。使矿物有机物沉积减弱,可以适当减慢氧气浓度的升高,减缓地表氧化性的增强。但只要地球上还有植物存在,它仍将继续进行光合作用制造有机物。只要地球上仍有生物,矿物有机物仍将沉积并被埋入地壳中。地球表面的氧气浓度仍会继续增加,地表的氧化性仍将继续增强。直至最后,要么地表的氧气浓度太高,氧化性太强,所有的植物都被烧光,植物的光合作用停止,不会再产生氧气,也不会再有矿物有机物的沉积,地球表面的氧气浓度达最大值,氧化性达最大值。要么由于地球完全固化,停止去气作用,地球上的二氧化碳被植物的光合作用用光,地球的温室效应已相当弱,整个地球因温室效应太弱而全球冰冻,地球成为一个大冰球,植物因二氧化碳缺乏不能进行光合作用而死亡或因全球冰冻而死亡,植物的光合作用停止,不会再产生氧气,地球表面的氧气浓度达最大值,氧化性达最大值。

总之,只有当地球上的植物完全死亡,不再进行光合作用,地球也不会再有矿物有机物的沉积而埋入地壳,地球表面的氧气才会不再升高。这样,若地球及周围的条件不变的话,地球的氧化还原性将维持一定的衡定。

到此,我们讨论完了第三章 地球的去气作用和地球演化过程中的化学平衡,下面,我们将继续讨论第四章  生物对冰川的作用及太阳系的生命。我们先来看看第一节 生物演化对冰川的作用。那么,冰川是怎么形成的?温室效应和冰川有什么关系?地球上的生物具有怎样的演化过程?且听下回分解。

未完,待续。

下回预告地球科学原理之35  冰川的形成原因及植物的演化历程

参考文献:

Falkowski P et al. The global carbon cycle: A test of our knowledge of earth as a system. Science. 2000, 290: 291-296

Schlesinger W. H. Biogeochemistry; an analysis of global change (2nd edition). San Diego: Academic Press. 1997. 1-588

 

(注:本“地球科学原理”系列,是根据廖永岩著,海洋出版社(20075月)出版的《地球科学原理》一书改编而来,转载者请署明出处,请不要用于商业用途

 

 



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