主要观点总结
南京大学魏广祎和李高军两位学者在最新研究中发现，大气含氧量升高可能是导致新元古代全球性冰封事件以及显生宙冰室气候的潜在因素。他们的研究提出，大气氧化与风化作用结合可能导致全球气候变冷，但其中的具体机制仍待进一步探讨。这项研究得到了国家杰出青年科学基金的资助。
关键观点总结
关键观点1: 研究发现大气含氧量升高可能导致新元古代全球性冰封事件和显生宙冰室气候。
研究发现大气氧化与风化作用结合可能导致全球气候变冷，具体表现为含铁矿物氧化推动风化作用，大气氧气含量越高，风化带越厚，能消耗更多CO 2 ，引发全球变冷。
关键观点2: 研究中的新发现与假说。
南京大学学者提出新元古代大气氧化的增加可能是激发雪球地球的机制之一。模拟显示新元古代大气氧化会导致陆地平均温度下降8~12℃，足以激发雪球地球崩溃式冰量-反射率正反馈。
关键观点3: 研究的意义与影响。
这项研究不仅揭示了大气氧化对气候的影响，也为理解地球宜居性的演化提供了新视角。同时，该研究对于预测未来气候变化和寻找保护地球宜居性的方法具有潜在价值。
正文
近日，2024年Science Bulletin 第23期发表了南京大学魏广祎、李高军两位学者题为“Atmospheric oxygenation as a potential trigger for climate cooling”的研究文章，发现大气含氧量升高或可导致新元古代全球性冰封事件及显生宙冰室气候。
地球曾发生过多次全球性冰封事件，被称为雪球地球。地质学家在距今约6~7亿年的新元古代赤道地区发现了冰川沉积物。新元古代雪球地球之后不久便出现了埃迪卡拉纪和寒武纪生命大爆发，各门类生物才得以蓬勃发展，地球进入生命显现的纪元——显生宙。但是，雪球地球的成因一直是未解之谜。20世纪苏联科学家Mikhail Budyko研究核战争的气候效应后发现，核战争烟尘蔽日引起的核冬天会导致灾难性的全球冰封。这是因为地球一旦降温到一定程度，冰川抵达中低维度，高亮度冰川的前进就会反射巨量阳光，从而引起进一步变冷和冰川扩张。但是，地球为何只在元古宙（距今25~5.4亿年前）的一头和一尾大气氧化和生命演化的两个关键时间段发生雪球地球？地球是否还会全球冰封？这关系到生命演化、大气氧化等与宜居地球形成有关的根本问题。一般认为，元古宙初的雪球地球与大气初始氧化有关。大气氧化消耗具有强温室效应的甲烷，引起降温并激发崩溃式冰量-反射率正反馈机制。而新元古代大气已经氧化，雪球地球则可能与罗德尼亚超大陆解体有关。超大陆裂解喷发的大量火山岩具有超高风化活性，引起风化CO2吸收增强，从而导致全球变冷。新元古代大陆集中在赤道，而植物登陆前裸露的地表具有高反射率；新元古代太阳辐射也比现在低。这些条件都有利于雪球地球的激发。但是，超大陆裂解时有发生，造山运动也会增强大陆风化，地球为何不常发生全球冰封？南京大学魏广祎、李高军两位学者提出一种全新的假说，认为新元古代雪球地球也是大气氧化的结果，与大气氧化导致的大陆风化CO2吸收效率增加有关。大气氧气含量自元古宙初的大氧化事件后的十几亿年一直维持在现今水平的1%以下。直到新元古代，大气含氧量才进一步上升，到了现今10%的数量级。研究表明，当今地球大部分风化前锋带的推进与氧化风化作用有关：含铁矿物氧化导致体积膨胀形成裂隙，水和CO2进入裂隙后才能引发进一步风化。大气含氧量越高，氧气在风化带中的扩散深度越深，风化带越厚，破碎岩石侵蚀前在风化带中的存留时间越久，导致在气候更冷、矿物溶解速度更低的情况下，大陆风化也能消耗与更热气候条件下等量的CO2。因此，大气氧化与风化-CO2反馈作用的结合会引起全球变冷。模拟表明，新元古代大气氧化会导致陆地平均温度下降8~12℃，足以激发雪球地球崩溃式冰量-反射率正反馈。本论文假说没有解决为何大气氧气浓度升高后，大陆风化效率维持在高位，雪球地球没有再次发生。作者认为这可能与生物登陆地表结皮引起的地表反射率降低或者O2扩散效率降低有关。正如盖亚假说提出的，可能是生命拯救了地球的宜居性。
Wei Guang-Yi, Li Gaojun. Atmospheric oxygenation as a potential trigger for climate cooling. Science Bulletin, 2024, 69(23): 3717-3722
https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.05.006
