На основе новой модели, основанной на исследованиях в различных областях, включая петрологию, геодинамику, вулканологию и геохимию, выводы команды были опубликованы в Интернете на этой неделе в журнале Nature Geoscience. Они предполагают, что повышение содержания кислорода в атмосфере Земли было неизбежным следствием образования континентов в присутствии жизни и тектоники плит.
«Это действительно очень простая идея, но для ее полного понимания требуется хорошая предыстория того, как работает Земля», — сказал ведущий автор исследования Син-Тай Ли, профессор наук о Земле в Райс. "Чаще всего я использую аналогию с протекающей ванной. Уровень воды в ванне регулируется скоростью, протекающей через кран, и эффективностью утечки воды через слив. Растения и определенные виды бактерий производят кислород как побочный продукт фотосинтеза.
Это производство кислорода уравновешивается стоком: реакцией кислорода с железом и серой в земной коре и обратной реакцией с органическим углеродом. Например, мы вдыхаем кислород и выдыхаем углекислый газ, по существу удаляя кислород. Короче говоря, история кислорода в нашей атмосфере сводится к пониманию источников и поглотителей, но рассказ о том, как это происходило на самом деле, за 3 миллиарда лет более сложен ».
Ли был соавтором исследования с Лоуренсом Юнгом и Адрианом Ленардиком, оба из Райс, а также с Райаном Маккензи из Йельского университета и Юсуке Йокояма из Токийского университета. Объяснения авторов основаны на новой модели, которая предполагает, как атмосферный кислород был добавлен в атмосферу Земли в два ключевых момента: один около 2 миллиардов лет назад, а другой — около 600 миллионов лет назад.
Сегодня около 20 процентов атмосферы Земли состоит из свободного молекулярного кислорода или O2. Свободный кислород не связан с другим элементом, как атомы кислорода в других атмосферных газах, таких как диоксид углерода и диоксид серы. На протяжении большей части 4,5-миллиардной истории Земли свободный кислород практически отсутствовал в атмосфере.
«Он не пропал без вести, потому что это редкость», — сказал Ли. «Кислород на самом деле является одним из самых распространенных элементов на каменистых планетах, таких как Марс, Венера и Земля. Однако это один из наиболее химически активных элементов.
Он образует прочные химические связи со многими другими элементами, и в результате имеет тенденцию к оставаться запертыми в оксидах, которые навсегда погребены в недрах планеты — в форме горных пород. В этом смысле Земля не является исключением для других планет; почти весь кислород Земли по-прежнему остается запертым в ее глубоких скалистых недрах. . "Ли и его коллеги показали, что примерно 2,5 миллиарда лет назад состав континентальной коры Земли коренным образом изменился. Ли сказал, что период, совпавший с первым повышением содержания кислорода в атмосфере, также был отмечен появлением большого количества минеральных зерен, известных как цирконы.
«Присутствие цирконов говорит об этом», — сказал он. «Цирконы кристаллизуются из расплавленных горных пород с особым составом, и их внешний вид означает глубокий переход от бедного кремнеземом к богатому кремнеземом вулканизм. Влияние на состав атмосферы состоит в том, что в породах, богатых кремнеземом, гораздо меньше железа и серы, чем в породах, бедных кремнеземом. , а железо и сера реагируют с кислородом и образуют сток для кислорода.«Основываясь на этом, мы полагаем, что первое повышение содержания кислорода могло быть связано со значительным снижением эффективности стока кислорода», — сказал Ли. «В аналогии с ванной это эквивалентно частичному перекрытию слива».Ли сказал, что исследование предполагает, что второе повышение атмосферного кислорода было связано с изменением производства — аналогично увеличению потока из крана.
«Аналогия с ванной проста и элегантна, но необходимо учитывать дополнительную сложность», — сказал он. «Это потому, что производство кислорода в конечном итоге связано с глобальным углеродным циклом — круговоротом углерода между Землей, биосферой, атмосферой и океанами».Ли сказал, что модель показала, что углеродный цикл Земли никогда не был в стабильном состоянии, потому что углерод медленно просачивается в виде углекислого газа из глубоких недр Земли на поверхность в результате вулканической активности. Двуокись углерода — один из ключевых ингредиентов фотосинтеза.
«В долгих геологических масштабах углерод удаляется из атмосферы за счет образования конденсированных форм углерода, таких как органический углерод и минералы, называемые карбонатами», — сказал он. "На протяжении большей части истории Земли большая часть этого углерода откладывалась не в глубинах океана, а, скорее, на окраинах континентов. Последствия серьезны, потому что углерод, отложившийся на континентах, не возвращается в глубокие недра Земли. Вместо этого он усиливает поступление углерода в атмосферу, когда континенты впоследствии будут возмущены вулканизмом ".Ли сказал, что модель команды показала, что вулканическая активность и другие геологические поступления углерода в атмосферу могли со временем увеличиваться, а поскольку производство кислорода связано с производством углерода, производство кислорода также должно увеличиваться.
Модель показала, что второй подъем атмосферного кислорода должен был произойти в конце истории Земли.«Точно, когда — зависит от модели, но ясно, что образование континентальной коры естественным образом приводит к двойному увеличению содержания кислорода в атмосфере, как мы видим в летописи окаменелостей», — сказал Ли.Что именно вызвало изменение состава коры во время первого события оксигенации, остается загадкой, но Ли сказал, что команда считает, что это могло быть связано с началом тектоники плит, когда поверхность Земли впервые стала достаточно подвижной, чтобы снова погрузиться в глубины Земли.
Ли сказал, что новая модель команды неоднозначна. Например, модель предсказывает, что производство углекислого газа должно со временем увеличиваться, и это открытие противоречит общепринятому мнению о том, что потоки углерода и уровни углекислого газа в атмосфере неуклонно снижались в течение последних 4 миллиардов лет.
«Изменение потока, описываемое нашей моделью, происходит в течение чрезвычайно длительных периодов времени, и было бы ошибкой думать, что эти процессы, вызывающие какие-либо атмосферные изменения, происходят из-за антропоморфного изменения климата», — сказал он. «Однако наша работа предполагает, что учёным Земли и астробиологам, возможно, потребуется пересмотреть то, что, по нашему мнению, мы знаем о ранней истории Земли».
