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氧气浓度升高是全球变化的最大灾难

已有 5172 次阅读 2007-9-8 17:06 |个人分类:地球科学|系统分类:科研笔记

将来的地球演化趋势及全球变化

广东海洋大学

廖永岩著
电子信箱:rock6783@126.com

全球变化是当今最热门的一个研究领域。但地球将来到底会怎么变化,是变热或是变冷?众说纷纭[汪品先,2003Hays, et. al., 1976; Berger and Loutre, 2002]。我们比较和分析了现有的地球塑性和刚性、地球的去气作用及其变化、地球上O2含量及其变化、地球上矿物有机物的沉积等资料,提出了新的全球变化理论和对策。

1、地球的塑性和刚性及其变化趋势

冰川作用导致的地质作用,明显与地球的流体性有密切关系。组成地球的物质流体性越强,其可塑性就越强,刚性越弱。这时的冰川形成和消融等大质量物质的转移,最能引发地球的地质作用,引发强烈的火山爆发和地震。组成地球的物质流体性越弱,可塑性就越弱,刚性越强;这时的冰川形成和消融等质量的转移,引发地球的地质作用的可能性越弱,引发火山喷发和地震的可能性也相应地越弱。一旦地球完全固化,已没有了流体或没有了流体性,再大的冰川形成,也不会再引发地质作用,也不会再有火山喷发或地震发生。

星体的流体性和刚性,主要决定于星体内热量产生的多少和热量散失的多少。星球越大,星球形成时,产生的热量越多,散热效果越差,热量散失所需的时间越长,维持流体性的时间也就越长,如地球。星体越小,产生的热量越少,热量散失得越快,维持流体性的时间也就越短,如月球和水星。在类地行星及月球中,地球最大,月球最小,质量大小顺序为:地球>金星>火星>水星>月球;维持流体性强弱的顺序为:地球>金星>火星>水星>月球[刘本培和蔡运龙,2000夏邦栋,1995]。所以,31亿年前,月球最先固化,其次是水星。到目前为止,类地行星中,火星已基本固化;金星还没有完全固化,但流体性已较弱;流体性最强的是地球[夏邦栋,1995吴泰然和何国琦,2003]

地球的地壳刚形成时,地壳较薄,地壳内的流体流动性较强,刚性较弱。这时的地球,较容易发生变形,小的冰川活动,小的质量转移,就能造成强烈的地质运动,引发强烈的火山和地震活动。

随着地球内热量的不断散失,许多流体被固化,地壳变厚,流体减少,流动性减弱。这时的地球,流体性较弱,刚性较强,较不易变形,较强烈的冰川活动,较大的质量转移,才可能引发地质运动及火山和地震活动。

随着时间的推移,地球的刚性越来越强,塑性越来越弱,最后将完全固化,刚性最强,几乎没有塑性。

2、地球的去气作用及其变化趋势

一般认为,除O2外,现今大气中的气体,主要是由于地球的去气作用形成的[涂光炽,1996]。自从地球的地核、地幔和地壳等几大圈层形成之后,地球不断地向外层大气层排出气体。类地行星,如水星、金星和火星,均有类似地球的去气作用。只是由于水星和火星体积远小于地球,整个行星已基本固化,到现在为止,去气作用,已基本结束。类地行星里,只有地球和金星尚没有完全固化,还能继续进行去气作用[吴泰然和何国琦,2003]

CO2是地球去气作用中一种主要气体。少量的CO2等地球去气气体,不间断地从地球内部排出,但大量的CO2等去气气体,是通过火山喷发和地震等地质活动产生的。

地球的火山和地震,与金星等其它没有水和没有生命的行星上的火山和地震不一样,除早期由外星体碰撞引起一些火山喷发和地震外,主要是由于冰川的形成和消融而引发的。

地球的去气作用,与地球内部的高温和流动性有关。由于地球不断地向外辐射散热量,从地球刚形成时开始,地球的去气作用逐渐减弱。一旦地球固化,就没有火山喷发和地震,也就没有去气作用了。那时,地球再也不会给大气补充CO2,若植物的光合作用等减少大气CO2的机制仍继续作用的话,地球的温室效应将逐渐减弱,最后地球将变成一个大雪球。

3、矿物有机物的沉积对O2的影响

现在地球已沉积矿物有机物1.5×107Gt[Falkowski, et. al., 2000]。生命在地球上出现,已有38亿年历史[Schopf, 1993; Schidlowski and Aharon, 1992]。若从有机物大量沉积的8.5亿年前算起,也已近10亿年。若按38亿年算,每年沉积量=1.5×107÷3.8×109 Gt/年,约每年3.94×10-3 Gt。若按10亿年算,每年沉积量=1.5×107÷1×109,约每年1.5×10-2 Gt。若考虑O2浓度增加,沉积难度增大,沉积量只有正常沉积量的30%左右的话,每年大约也应有1×10-3 Gt矿物有机物沉积。

地球上所有活生物有机物,及煤、石油、天然气和油母质等矿物有机物,都是植物通过光合作用形成的[曹宗巽和吴相钰,1979]

光合作用

CO2+H2O             (CH2O)+O2

         绿色植物

由上式可知:每形成一分子(CH2O)(表示有机物),消耗1分子CO2,产生1分子O2。简单地说,形成1分子(CH2O)有机物,就会形成1分子O2

当大量的矿物有机物沉积(不再参与氧化作用),会在大气中留下大量的O2。因每年都有约1×10-3 Gt的矿物有机物沉积,所以,每年大气中也应增加1×10-3×30/32GtO2CH2O的分子量为30O2的分子量为32)。

沉积有机物留下的O2,一部分用来使地球的强还原环境变为氧化环境;一部分就留在大气中[Schlesinger, 1997]。因为现在已是相当氧化型的环境,不会再消耗太多的O2。所以,随着矿物有机物的不断沉积,大气O2含量势必增加。

一旦大气O2含量超过现今大气的O2含量,这种大气就成为富氧大气。在富氧大气里,物质的着火点降低,氧化速度快。很多不易着火的物质,都变成极易燃烧的物质。举一个很平常的化学实验的例子,铁本来是极不易燃烧的物质,但当烧红的铁丝位于纯氧中时,能剧烈燃烧,并发强光。天然气甚至枯叶等物质都会引发森林大火。

经过自然选择和生存竞争,那些相对不耐火的生物(主要是植物),慢慢淘汰掉了;而相对较耐火的植物得以继续生存下来[杨英等,2000;吕静等,2002]。经过多次这样的反复作用,地球形成了耐火型植物;也形成了耐火型植被,如荒漠和沙漠。大量的森林被草原、荒漠或沙漠代替。

所以,一旦变还原型环境成氧化环境消耗O2的潜力已用尽,若没有什么机制再阻止矿物有机物的继续沉积,地球上的O2肯定越来越多,只有靠燃烧地表能与O2接触的矿物有机物(如煤、天然气或石油)和燃烧活生物体(如森林)来降低O2的含量。因为地表能直接与O2接触的矿物有机物的量毕竟有限,所以,一旦这部分消耗O2的潜力也用完时,只有靠燃烧森林,减少活生物量来控制O2的浓度。若认为自第四纪后,O2量基本恒定,没有增加是正确的话[Schlesinger, 1997],自第四纪以来,地球上活生物量应因为森林大火而减少了50%以上。

4O2的演化趋势

自从35亿年前蓝藻类光合放氧生物出现,绿色植物就一直在吸收CO2制造O2 [张均,1998]。地球刚形成时,是强烈的还原性环境。植物光合作用形成的O2,大部分用于将还原性环境改造成氧化型环境,这将近消耗了地球上现已生产出来的80%以上的O2 [Schlesinger, 1997]。直到20亿年前,大气中的O2才达现在大气氧的1%8.5-5.7亿年前,才达现在氧的6-10%[Schlesinger, 1997; 张均,1998]。大约4亿年前的志留纪,大气O2含量达现在O2含量的10%以上,完全能遮挡紫外线,使生物可以在陆地上出现[张均,1998秦瑜和赵春生,2003Wayne, 2000]。第四纪冰川期以后,大气氧浓度达现在水平,并一直维持到现在[Schlesinger, 1997]

5、将来全球的变化趋势

地球塑性和刚性的变化,及地球的去气作用的变化趋势,我们人类是没有能力干预的。地球的塑性的丧失,刚性的增强,主要是由于其热量的散失而造成的。我们不可能使地球的塑性继续保持下去,除非我们有能力补充巨大的能量于地球,使地球散失的热量和我们人类补充给地球的能量相等。毕竟我们的能力有限,最终,地球肯定会成为一个实心固体球。

随着地球的固化,地球的去气作用也将逐渐丧失。若我们没有能力改变,一旦地球完全固化,其去气作用完全丧失,将永远不会再给大气补充CO2

只要地球上还有生物,光合作用还在进行,必将导致地球上的CO2量逐渐减少,温室效应将逐渐减弱,最终地球将是一个大雪球。

地球的矿物有机物沉积也将继续进行,这也是我们目前不可能控制的,这将使我们大气中的O2量增加。若我们无所作为的话,随着地球的含氧量的增加,将造成全球性的森林大火,将燃烧地球上的一切可燃物。地球的植被将变得更加耐火型,活生物量将逐渐减少,不耐火的森林群落,将逐渐被耐火的荒漠或沙漠群落代替。简单地说,大量的活生物(包括植物、动物和微生物等),转化为矿物有机物,直至所有的活生物转化为矿物有机物为止。到那时,地球将成为没有生命的地球,死的地球。当然,人类也就不可能在地球上生存了。

当然,地球上也永远不会再有火山喷发和地震,也不会再有板块移动等地质活动。海洋不会再扩张,陆地及山脉也不会再升高,将在不断的风化作用下,逐渐变得平坦。除非有天外星体撞击了地球,造成一定的有限变化。若天外星体撞击地球,将不会产生象以往地史时期那样的地质活动,它能将地球撞掉一块,有可能会造成地震,但不会造成火山喷发。

6、应变对策

我们现阶段将一定量的煤、石油和天然气作为能源物质进行燃烧是正确的,这有助于矿物有机物埋藏量的减少,使O2量下降,大大减少森林大火的发生,保护森林。这种燃烧,也有助于大气CO2量增高,以补充地球去气作用减弱而造成的CO2不足。

这样,大气中CO2量将增加,使温室效应增强,使地球变得温暖湿润,使沙漠和荒漠转化为森林。地球上的活生物量将得以增加,生物的生存面积得以增加,人类自己的生存空间也得以增加。当然,温室效应的增强,冰川肯定会消融,海平面会上升,会进入一个间冰期,会对一些城市和国家造成影响。但温室效应的增强,海平面的上升,森林面积的增加,沙漠和荒漠面积的减少,对整个地球、生物,特别是人类是有益的。

所以,我们现阶段,不是该讨论我们要怎么怎么样去减少温室效应,而应该为温室效应产生后,冰川消融之后的现状有所作为。进行一些研究和采取一些对策,以减少有关城市和国家的损失。因为,这些国家和城市,为地球的可持续性发展作出了牺牲。

应尽可能地探测煤、石油和天然气的贮藏量。有开采价值的应该探明,现阶段没有开采价值的,也应探明。因为,绝大多数的矿物有机物,是以没有开采价值的油母质(Kerogen)的形式存在的[Falkowski, et. al., 2000]。按现阶段的开采标准,有开采价值的贮藏量,只占全部矿物有机物的很少一部分,不到1[Falkowski, et. al., 2000]。同时,研究探测和开采及提取微量矿物有机物的技术,使我们控制地壳中矿物有机物量的能力得到极大的加强,使我们有能力控制矿物有机物量、O2量和CO2量的平衡。所以,矿物有机物不仅是我们的一种重要能源物质,更是一种重要环境调控物质。

开发新的能源物质,一旦矿物有机物作能源物质已经不足够时,我们必须能有其它的代用能源,以维持我们社会的正常生活秩序,以维持人类正常的生活方式。我们必须减少我们对现有矿物有机物能源物质的依靠性。到将来,我们利用或燃烧它,仅只是为了保持生态环境的平衡而已。我们必须有其它的能源物质。

我们必须研究矿物有机物的沉积原理,可能的话,尽可能减少矿物有机物的沉积。最好能控制矿物有机物沉积的量,为地球服务,为人类服务。

我们必须密切监测大气中氧的含量变化。同时,研究过去大气中O2的变化情况,从而更好地理解大气O2的变化规律。

若我们能保证沉积有机物的量不增加,O2的量也不会增加,CO2的量也不会减少。这样,地球上的生物,才可能长此以久地生存下去。

适当增大大气中的CO2浓度也应是可取的。一旦进入间冰期,地球的四季将不太分明,将使气候比现在温暖湿润,这样,地球上的活生物量将得到增加。人类本身是生物,人类的食物全是生物,人类的生活离不开生物。人类只有通过减少矿物有机物的含量来增加活生物量。换句话说,只有燃烧大量的煤和石油等矿物有机物,才可能增加地球上的活生物量。也只有这样,才可能保持大气中的O2浓度不变,减少森林大火的发生。

若真这样的话,地球将不会进入最后的冰期。

各位若想了解这方面有关的详细情况,请各位参见廖永岩著,海洋出版社2007年5月版的《地球科学原理》(28.00元)一书。也可以在以下网址找到这本书的详细目录:http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=7010

也可以在以下网址找到有关这本书的部分相关内容:http://www.sciencenet.cn/blog/user_index.aspx?userid=3534

注:本文摘于廖永岩著《地球科学原理》一书。


参考文献

曹宗巽,吴相钰. 植物生理学,北京:高等教育出版社. 1979. 31-125

刘本培,蔡运龙. 地球科学导论. 北京:高等教育出版社. 2000. 8-303

吕静,王宇飞,李承森. 古炭屑与古森林火. 古地理学报, 2002, 4(2): 71-76

秦瑜,赵春生.大气化学基础. 北京:气象出版社. 2003. 1-14

涂光炽. 关于CO2若干问题的讨论,地学前缘, 1996, 3(3-4): 53-62

夏邦栋. 普通地质学. 北京:地质出版社. 1995. 243-283

汪品先. 下次冰期预测之谜. 海洋地质与第四纪地质, 2003, 23(1): 1-6

吴泰然,何国琦. 普通地质学. 北京:北京大学出版社. 2003. 9-339

杨英,沈承德,易惟熙,孙彦敏. 大火历史及其与古气候关系研究. 地球科学进展, 2000, 15(3): 328-334

张均. 生物进化. 北京:北京大学出版社. 1998. 41-99

Berger A, Loutre MF. An exceptionally long interglacial ahead? Science, 2002, 297: 1287-1288

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

Hays J D, Imbrie J, Shackleton N J. Variations in the Earth’s orbit: Pacemaker of the ice age. Science, 1976, 194: 1121-1132

Schlesinger W. H. Biogeochemistry(2nd edition).Academic Press. 1997

Schidlowski M., Aharon P. Carbon cycle and carbon isotope record: geochemical impact of life cover 3.8 Ga of Earth history. In: Schidlowski M. et al(eds.). Early Organic Evolution. Berlin: Springer-Verlag, 1992, 147-175

Schopf J. W. Microfossils of the Early Archean Apex Chert: New evidence of the antiquity of life. Science, 1993, 260: 640-646

Wayne R P. Chemistry of Atmospheres(third edition). Oxford University Press. 2000

 

 



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