大气中的氧气是从哪里来的?

地球的大气层是由大约78%的氮气,21%的氧气和其它微量气体组成。氧气对所有动物生命和其他一些有机体都是必需的。由于这种气体被吸氧生命使用,并且有与许多岩石和矿物质反应的倾向,因此必须不断补充。大气中约有98%的氧气来自光合作用(植物从二氧化碳和水产生糖的过程),其余部分是紫外线辐射分解水的结果

光合作用

植物和一些细菌利用光合作用生产糖和其它能量丰富物质形式的食物。水和二氧化碳被有机体接纳,而阳光提驱动该过程的能量。氧气恰好是非常有用的副产品。就科学家已掌握的信息看,地球上的氧气水平保持相对稳定已经有几亿年的历史。这意味着光合作用产生的氧气通过其它消耗过程保持平衡,如吸氧或需氧,生命形式和化学反应等。

通过光合作用的大气氧气来源是浮游植物,如海洋中的蓝藻,陆地上的树木和其它绿色植物等。每种来源的具体贡献量一直存在争议:有些科学家认为一半以上来自海洋,但也有一些人认为这个数量不到三分之一。目前能肯定的一点是数量会随着地质时间波动,并取决于地球的生命平衡。例如,在大气刚开始形成时,蓝藻贡献了大多数氧气。

氧含量的上升

据说在最初,蓝藻细菌产生的氧气被用于和土壤,岩石和海洋中的铁发生反应,形成铁氧化合物和矿物质。地质学家能通过观察岩石中的铁化合物类型估计古代大气中的氧气含量。在缺氧时,铁倾向于和硫磺混合,形成硫化铁矿等硫化物。然而,在它存在时,这些化合物分解,并且铁与氢气混合形成氧化物。其结果是,古代岩石中的硫化铁矿说明氧气水平低,而氧化物则说明存在大量这种气体。

一旦大多数铁与氧气混合,这种气体能积聚在大气中。据说在23亿年之前,大气中的氧气水平已经从微量上升到1%。这种平衡看起来保持了很长时间,因为其它使用氧气的有机体通过碳氧化,产生二氧化碳(CO2)提供能量。他们通过吃富含碳的有机植物材料做到这一点。这产生一种平衡,通过光合作用产生的氧气与吸氧有机物的消耗量匹配。

由于这种平衡,光合作用可能不是氧气最初上升的唯一原因。一种解释是一些死亡有机体埋在泥里或其它沉积物中,并且没有可用的有氧生物。这种物质不能与大气中的氧气混合,因此并非所有产生的元素都能以这种方式使用,让氧气水平上升。

在地球历史中的近期某些阶段,氧气含量戏剧性提高到现在这个水平。一些科学家认为这可能发生在6亿年前。在当时,许多相对较大,复杂,多细胞有机体需要更多氧气。尽管不清楚导致这种变化的原因,但有趣的是,它发生在地球看起来要被淹没的大冰川时代,当时大多数星球都被冰覆盖。

一种理论认为冰川的作用是在前进和后退时,碾碎含磷丰富的岩石并将大量磷释放进海洋。磷是浮游植物必需的营养素,因此导致这种生命的数量爆炸式增长。这反过来增加氧气的产量,而当时使用它的陆地生命很少。不过,不是所有科学家都赞同该理论,并且这也是至今未解决的课题。

大气含氧量的威胁

一项研究发现氧气水平在1990-2008年之间下降了大约0.0317%。这主要是燃烧石化燃料造成的,因为燃烧过程大量使用氧气。然而,根据这一时期的石化燃料实际燃烧量计算,这种下降远低于预期。一个可能原因是二氧化碳水平上升,再加上化肥使用,促进了植物更快生长和更多的光合作用,这部分抵消了消耗的氧气。据估计,即使地球所有的石化燃料都被燃烧,对总体氧气水平的影响也很有限。

采伐森林是另一个令人担心的事情。尽管雨林大面积摧毁对环境还有其它严重影响,但不太可能明显降低氧气水平。除了树木和其它绿色植物以外,雨林支持一系列吸氧生命。这种森林看起来对大气氧气总体水平贡献不大,因为它们消耗了几乎所有产生的氧气。

一个更严重威胁可能是人类活动对浮游植物的影响,因为许多资料来源都认为浮游植物对地球氧气水平贡献最大。有人担心燃烧石化燃料会增加大气中的二氧化碳,并使海洋变得更温暖更酸,这会减少浮游植物数量。最近的调查结果显示,各种浮游植物都不同程度的受到影响,只不过有些数量增加,有些减少而已。