为什么从石炭纪开始,地球上的氧气浓度就一直在下降呢?

提起石炭纪,大家最熟悉的名字应该就是“巨虫时代”了,确实,在石炭纪,昆虫的体型达到了生物进化史上的峰值,出现了半米多长的蝎子,翅膀展开接近一米的蜻蜓等等。而这些巨型昆虫的成因与石炭纪的氧气浓度有很大的关系,从整体上看,石炭纪的氧气浓度是从低到高,然后再从高到低递进的。那么,是什么让石炭纪的氧气浓度发生变化呢?我们简单地来聊一下这个问题。

首先,我们来看一下石炭纪的氧气含量为什么会增加?

科学家们通过对地球上不同年代地质层中的放射性同位素分析发现,在距今约3.59亿年前-2.99亿年前的这个时间段内,地球上大气中氧气的含量曾经一路飙升到达过35%,相比较现在大气中氧气的含量(21%)高出了约1.5倍。这究竟是怎么回事呢?

首先,任何时期的氧气含量并不是一蹴而就的,而是有一个漫长的变化过程,石炭纪的氧气含量也是如此,从进入石炭纪开始,氧气含量一直缓慢的增加,直到距今约3亿年前到达了峰值。

其次,石炭纪的氧气增加与上一个地质年代泥盆纪(距今约4亿年前-3.6亿年)打好的基础是分不开的。在泥盆纪的中期,虽然“褶皱造山”(地壳运动的一种)停止了,但是海西运动(地壳升降)并没有停止,这就造成了大量的陆地裸露了出来。到了泥盆纪的后期,蕨类植物在陆地上已经具有了相当的规模。

到了石炭纪,尤其气候温暖湿润,有利于植物的生长,所以蕨类植物进一步地扩大了在陆地上的覆盖面积,根据科学家对石炭纪早期的地质层的研究发现,当时蕨类植物几乎覆盖了地球陆地的超过95%。植物的大面积覆盖,再加上阳光的照射,植物的光合作用开始吸收二氧化碳,释放氧气,此时,大气层中各种气体的比例开始了剧变,到了石炭纪的中期,由于植物光合作用的影响,大气中氧气的占比达到了35%。

有了植被,适宜的环境,到了石炭纪中期出现了无翅昆虫,之后昆虫们慢慢演化出了翅膀,并且在超高的氧气含量下,加上当时陆地上的昆虫几乎没有天敌,最终让它们的体型也达到了史上的峰值,形成了著名的“巨虫时代”。

石炭纪后期的氧气含量为何持续降低?

石炭纪后期的氧气含量开始下降与一个大事件有极大的关系,它就是石炭纪生物大灭绝。这次的灭绝事件发生在距今约3.05亿年前,而且该灭绝事件与石炭纪雨林崩溃事件有着直接的关系。

石炭纪从距今约3.59亿年前开始,经过了五千多万年的沉淀期,蕨类森林几乎占据了整个陆地,只要有森林的地方就会有枯枝落叶,况且在几千万年的时间中,石炭纪的陆地上由于枯枝和落叶的发酵已经形成了一定的煤矿层。就是这个变化,为石炭纪雨林崩溃事件埋下了伏笔。

由于石炭纪的地壳运动并没有停止,地壳运动使得地幔的岩浆由于的活跃,岩浆的高温将地下的煤炭点燃,火山的喷发导致了地面上的枯枝落叶燃烧,再加上石炭纪密度较大的氧气的助燃,大火一旦被点燃,就是大规模的,而且时间持续也非常的长。

正是因为大火,导致了雨林的崩溃,进而导致了巨虫时代的落幕。而燃烧是需要消耗大量的氧气,释放大量的二氧化碳的,所以,在石炭纪的后期,大气中二氧化碳的浓度为0.08%,是现在二氧化碳浓度的接近3倍。这就是石炭纪后期氧气含量持续降低的原因。

当然火山喷发和岩浆活动只是科学地推断之一,在目前的科学家还有一个说法就是在石炭纪的后期,地球曾经进入过一次短暂的冰河时代,冰河时代的来临,终结了石炭纪时期的雨林时代,地球上的环境开始变得干燥。干燥是森林大火的主要诱因之一,因为无论是打雷、小型的火山喷发在干燥的森林中都能造成大火。

因此,石炭纪的氧气浓度降低是发生在末期的,而这次的降低于全球性的大火有关,不过大火的起因目前有两个主流的说法:一个是岩浆,一个是干燥。

总结

石炭纪是地球史上氧气浓度最高的时期,这是因为陆地上几乎都被蕨类森林覆盖的原因,但是,在整个石炭纪,氧气浓度并不是一直很高的,到了石炭纪末期,大火不但摧毁了雨林系统,还带走了无数的“巨虫”和氧气,将“巨虫时代”彻底的终结。

为什么从石炭纪开始,地球上的氧气浓度就一直在下降呢?

距今3.5亿年前的石炭纪,是植物的鼎盛时期,那时的地球的地壳运动非常活跃

全球几乎遍布着森林植被,由于气候温暖湿润, 植物在如此环境下便开始了肆无忌惮的生长。

众多的植被让石炭纪的大气含氧量不断增加,达到了惊人的35%,由此出现了大量巨型生物,因而石炭纪又称为巨虫时代。

这是身披坚硬盔甲的巨型马陆,有着锋利的大颚,体长可达三米。

这是巨脉蜻蜓,翼展之长足足有0.9米,飞行速度极快,是当时天空中的霸主。

这是巨型蜘蛛,硕大的体型比人类的头骨还要大。

各类动物在这时期不断的繁衍生息,然而随着时间的推移,一场浩大的生物灭绝事件正悄然而至。 在石炭纪末期,地球进入了一个短暂的冰河时期,海平面下降至100米,气候开始由潮湿变为干旱。

大批的热带雨林因为干燥的气候并不利于生长,植物逐渐崩溃消失,雨林的崩溃导致地球大气氧浓度急剧减少,而在高氧环境中巨虫无法适应低氧环境,使得巨大的节肢动物最终走向了灭绝,此时巨虫时代宣告结束。

取而代之的,地球迎来了长达2.4亿年的爬行动物时代!

为什么从石炭纪开始,地球上的氧气浓度就一直在下降呢?

地球氧气浓度下降是地球演化的必然规律

氧气是影响地球宜居性的重要因素,其与复杂生命体的形成和演化有着千丝万缕的联系。研究全球氧气变化规律有助于我们了解地球系统的演化过程,和地球宜居性的形成,从而帮助我们预估地球系统的未来变化。确切地说,不是石炭纪,而是二叠纪以来,地球上的氧气浓度就一直在下降。如图1所示。

图1:地球氧气浓度变化图(Berner,2006)图中显示Perm(二叠纪)氧气浓度直线下降

一、地球氧气的概况

地球大气圈中的氧气,作为第二种最为丰富的气体,大多数是生物通过水的氧化作用而连续产生的,这个氧化作用得到了太阳光的能量驱动,这就是光合作用

图2:光合作用

如果没有一个连续性来源,氧气会变得快速亏损,因为与氮气不同,氧气是高度反应的气体,而且在早期大气圈中,肯定不存在氧气。

可以肯定的两个基本事实是:(1) 早期地球的大气圈是缺乏氧气的。(2) 今天的大气圈,则为21%的氧气所组成。

图3:早期地球环境,40亿年前

在地球历史长河中,大气圈氧化状态的增强,虽然得到了较好的证实,但是对这个过程形成的原因和机理, 还不太清楚。

二、氧气形成

大气中的O2是由植物、藻类和蓝细菌通过光合作用产生的。而在地质时间尺度上,O2在大气积累涉及一系列过程。通常来讲,在长时间尺度上O2的源是有机碳和黄铁矿的埋藏。

图4:藻类

在光合作用过程中,有机碳是与O2同时产生的。因此,植物的生长可以等同于O2的积累。不过,当植物死亡后,绝大部分的有机物最终会被细菌和真菌分解,而这些分解过程也将会消耗前期光合作用所产生的O2。

然而有少数的有机碳以不活泼的方式被埋藏在海水或淡水沉积物中,并最终固化成岩石,因此这些有机物无法与O2发生反应,而大气O2的净来源之一,正是这一部分尚未被氧化的有机物的埋藏。大气中O2的另一个重要来源是黄铁矿沉积。

图5:黄铁矿,FeS,看起来和黄金很像

三、氧气浓度的下降

二叠纪-三叠纪灭绝事件(the end-Permian mass extinction event,EPME)标志着古生代的结束,被认为是所有有记录的物种灭绝事件中生物多样性损失最严重的一次。

图6:二叠纪中龙类海洋爬行动物

最新研究表明,在EPME期间,有81%的海洋物种灭绝,而陆地生态系统也遭受重创。二叠纪末期的物种大灭绝事件几乎是瞬时的,有证据表明该灭绝仅持续了几千年。从图1可以看出,也就是在二叠纪,氧气浓度直线下降

最近的一项年代学研究表明,二叠纪-三叠纪灭绝事件最可能的触发因素是与西伯利亚地盾(Siberian Traps)形成有关的一次巨大火山事件,它开始于EPME前约30Ma,可能在生物多样性大幅下降之前就已经损害了一部分生态系统的功能和恢复力。这次火山喷发可能释放了大量的温室气体,导致气温升高约10°C,也引起了短期内酸雨的产生、大范围的海洋缺氧和海洋酸化。

图7:火山喷发

此外,EPME期间大气中O2含量急剧下降、气候变暖、海平面上升等环境变化也大大减少了陆地生物的栖息地

不过,可以肯定的是,三叠纪早期陆地和海洋生态系统的突然崩溃以及持续的致死性高温,使得生态系统直到灭绝发生后的8~9Ma(中三叠纪)才开始恢复。

图8:鄂尔多斯湖泊形成于三叠纪

综上所述,应采取多种措施来维护和促进当地的生态功能,应将重点集中在人口稠密的城市地区以及沙漠化风险高的干旱或半干旱地区.植被稀疏、生物多样性低是这些区域的共同特征。

为什么从石炭纪开始,地球上的氧气浓度就一直在下降呢?

说起巨型生物,大家第一瞬间想起的应该是曾经出现过的大恐龙,但在此之前,也就是距今三亿多年前的石炭纪出现的都是巨型生物,而且我们今天所使用的煤炭也大多都是形成于这个时期,因此被称为“石炭纪”。

在石炭纪还有一个显著的特点,那就是氧气含量高,达到了45%,而今天的氧气含量却只有大约21%,为什么地球上的氧气浓度下降了呢?

石炭纪。

石炭纪(距今3.50~2.90亿年前)是植物的大发展时代,在石炭纪,落叶植物还未产生,因此出现的都是一些不落叶的古蕨类植物,而且大量的蕨类植物和裸子植物覆盖了99%的大陆,是地球历史上森林覆盖率最高,含氧量最丰富的时代。

石炭纪还被称为“蕨类植物时代”,在那个时期植物群落的面貌,在地球各大区域基本上是一致的,石炭纪还有一个最大的特点,那就是氧气的含量高,根据一些数据来看,石炭纪氧气所占有的比例,竟然达到了45%,是今天氧气含量的两倍。

由于氧气的含量极高,所以动物在呼吸的时候,摄入体内的氧气量也变多了,从而降低了呼吸系统对于体型的限制,因此在茂盛的石炭纪雨林出现了许多巨型昆虫,当时的地球也是处于一个巨虫的时代,一个蜻蜓的大小就相当于现在的老鹰,一只蝎子和现在狗的体型差不多……

其中最恐怖的应该是巨型马鹿,模样与蜈蚣相差无几,体型却比它们大上数百倍,身披坚硬的盔甲,行动迅速敏捷,是当之无愧的霸主。

石炭纪时期全球都是森林,而植物具有光合作用的能力,可以在光照下将二氧化碳转换成氧气,所以石炭纪氧气的含量也就可想而知的高了。

为什么石炭纪之后氧气含量会下降?

第一,因为石炭纪的生物大灭绝事件, 在石炭纪末期,地球进入了一个短暂的冰河时期,年平均气温下降至12℃,曾经湿润的气候也开始变得干燥起来, 干燥的气候不利于大量的热带雨林的生长,植物逐渐消失,直接导致了地球大气氧浓度急剧减少。

第二,人类活动的影响,自工业革命以来,大规模的化石燃料燃烧、人口增长、过度放牧、城市扩张等人类活动大大增加了氧气的消耗量,有研究表明,化石燃料燃烧是引起氧气浓度下降的主要原因,如今的氧气亏损正在增大。

地球上的物质都是不可缺少的,这些物质的共同作用才有了生命的诞生。在一般情况下,大气中的含氧量为21%左右,虽然说氧气的占比不是太高,但氧气的存在却是非常重要的。

就拿人体来说,大脑是支配人体的中枢,为了让145亿个的脑细胞正常进行活动,就需要大量的氧气,氧气可以进入人体的大脑和细胞为人们提供呼吸,是我们呼吸必不可少的,可以说没有氧气人类就无法进行任何活动。

氧气并不是越多越好。

氧气可以为细胞提供活性,人类的大脑和心脏的跳动,都离不开氧气,如果氧气浓度过高,人的大脑反而会出现缺氧的情况,同时身体还会伴随着胸部不适,胸闷咳嗽,呼吸困难等症状,严重时还会发生肺水肿,甚至休克;其次加速衰老,行动缓慢。

如果氧气浓度突过高,人细胞内的酶适应不了高浓度的氧气,就会加速衰老,即使人类可以适应氧气含量的变化,氧气也会与人体细胞中的氧化酶发生反应,生成过氧化氢。

进而变成脂褐素,大量的脂褐素堆积在人体的血液中,还会导致人类思考能力下降,行动缓慢;最后地球上的东西还会易燃,氧含量升高会使很多不易燃的东西变得容易燃烧起来,比如塑料制品,而且当某个地方着火了,想要扑灭它们,难度将会大得多。

为什么从石炭纪开始,地球上的氧气浓度就一直在下降呢?

石炭纪是晚古生代的一部分,它的名字来源于当时史前植被形成的大型地下煤矿,这些沉积物中的大部分发现于欧洲、北美和亚洲的部分地区,这些地区在石炭纪时是郁郁葱葱的热带地区。 石炭纪煤是由生长在广阔低地沼泽森林中的树木产生的。包括巨大的石松、树蕨、巨大的马尾和树叶呈带状的参天大树。几百万年来,这种植物残骸的有机沉积物形成了世界上第一个大面积的煤沉积物——今天人类仍在燃烧的煤。

这些森林的生长吸收了大气中的大量二氧化碳,导致氧气过剩。大气中的氧气含量达到了35%左右的峰值,而今天只有21%。这也可能解释了现在出现的巨型爬行动物——昆虫和类似生物的尺寸受到它们能够呼吸的空气量的限制。 大气中的氧气水平与地球上生命的进化以及与气候变化的地球化学循环的变化有关。因此,科学家们长期以来一直试图研究出过去大气中的氧气水平是如何波动的,以及是什么控制了这些变化。

过去大气中氧气水平明显不一致,相差多达地球大气的20%,即氧气的当前浓度。在过去的100万年里,大气中的氧含量是变化了还是保持稳定,这一点甚至还不清楚。 地球的平衡是平衡还是失衡,如果是,平衡是增加还是减少。 估计表明,在过去的80万年里,大气中的含氧量下降了0.7%。科学家们得出结论,在此期间,氧吸收池——从空气中去除氧的过程——比氧源大大约1.7%。 尽管大气含氧量的下降听起来令人担忧,但研究人员发现这种下降“对于生态系统来说微不足道”。

“换个角度来说,就是大气压力随着海拔的升高而下降。在海平面以上100米处,也就是说,在一座高楼的第30层,氧气的大气压力下降了0.7%。" 有两个假设可能有助于解释过去100万年来氧气的减少。 首先,全球侵蚀率在过去几至几千万年间可能有所上升,原因之一是冰川的增长——冰川会研磨岩石,从而增加侵蚀率。 不断上升的侵蚀速率会使更多的黄铁矿和有机碳暴露在大气中。黄铁矿和有机碳都能与氧气反应,并将其从大气中移除。

或者,当海洋变冷时,就像过去1500万年里,在化石燃料燃烧之前,氧气在海洋中的溶解度增加了。也就是说,对于大气中给定的氧气浓度,海洋可以在更冷的温度下储存更多的氧气,海洋和沉积物中依赖氧气的微生物会变得更加活跃,消耗氧气,减少大气中的元素。 基本上,大气中二氧化碳含量的增加会加快火山岩磨损和其成分流入海洋的速度,然后海洋矿物中的大气二氧化碳会被吸收。这意味着“一个人可以改变大气中的氧气,而平均二氧化碳含量却没有明显的变化”。地球仍被认为可居住数十亿年。

为什么从石炭纪开始,地球上的氧气浓度就一直在下降呢?

地球上氧气制造的主力是藻类和蕨类植物,他们的哪怕烧成灰烬其一声所产生的氧气也远超自己变成二氧化碳所耗费的氧气。

可能是植物也在进化吧,现代的植物不管是树本还是草本,裸子还是被子,基本上都达到了氧平衡。

整个石碳纪生产者过量,但消费者(巨型昆虫)不足,自然积累的氧气越来越多,直到临界点

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