南极冰层中的气泡指向氧气下降的原因

一个未知的罪魁祸首已经从我们的大气中去除氧气至少 800,000 年，并且对保存在南极冰层中长达 150 万年的气泡的分析揭示了可能的嫌疑人。

“我们知道大气氧含量在更新世晚期开始略有下降，看起来冰川可能与此有关，”发表在《科学进展》上的地球化学研究的通讯作者、莱斯大学的 Yuzhen Yan 说。“大约在同一时间，冰川作用变得更加广泛和强烈，而冰川磨削这一简单事实会增加风化作用。”

风化是指分解岩石和矿物的物理和化学过程，其中最重要的是金属的氧化。铁生锈就是一个例子。在暴露于大气氧气或 O 2 的铁表面上迅速形成红色氧化铁。

赖斯地球、环境和行星科学系的博士后研究员严说：“当你将沉积储层的新鲜结晶表面暴露于 O 2 中时，你会发生消耗氧气的风化作用。

严说，冰川促进大气氧消耗的另一种方式是暴露埋藏数百万年的有机碳。

在严博士期间 在普林斯顿大学的 Michael Bender 和 John Higgins 的实验室进行研究后，Yan 参与了 2016 年由现任加州大学伯克利分校助理教授 Daniel Stolper 领导的一项研究，该研究利用冰芯中的气泡来显示氧气在冰芯中的比例。在过去的 80 万年里，地球的大气层下降了大约 0.2%。

在《科学进展》研究中，俄勒冈州立大学、缅因大学和加利福尼亚大学圣地亚哥分校的 Yan、Higgins 及其同事分析了较旧冰芯中的气泡，表明 O 2下降开始于地球冰川周期更长的时间之后。比大约 100 万年前翻了一番。

今天地球所处的冰河时代始于大约 270 万年前。随后发生了数十次冰川循环。在每一个中，冰盖交替增长，覆盖地球的三分之一，然后向极地退去。每个周期持续了大约 40,000 年，直到大约 100 万年前。大约在大气氧开始下降的同时，冰川循环开始持续大约 10 万年。

“下降的原因是 O 2的产生率低于 O 2的消耗率，”严说。“这就是我们所说的源和汇。源是产生 O 2 的东西，汇是消耗或拖拽 O 2 的东西。在研究中，我们将下降解释为对 O 2的更大拖累，意味着更多正在被消耗。”

严说，地球生物圈对下降没有贡献，因为它是平衡的，从大气中吸收的 O 2与它产生的O 2一样多。在全球范围内，风化是最有可能消耗足够过量 O 2来解释下降的地质过程，Yan 及其同事考虑了两种增加风化的情景。

2015-16 年对南极洲东部艾伦山的一次科学钻探任务产生了冰芯，其中包含古老的空气气泡，其中一些早于 270 万年前开始的冰河时代。图片来源：Yuzhen Yan

冰川前进时全球海平面下降，冰川后退时海平面上升。当冰川周期的长度增加一倍以上时，海平面的波动幅度也随之增加。随着海岸线的推进，以前被水覆盖的陆地将暴露于大气 O 2的氧化能力。

“我们做了一些计算，看看可能消耗多少氧气，发现它只能占观察到的减少的四分之一，”严说。

由于每个冰川周期的冰覆盖范围并不准确，因此冰川侵蚀造成的化学风化程度存在更广泛的不确定性。但严说，证据表明它可以吸收足够的氧气来解释下降的原因。

“在全球范围内，很难确定，”他说。“但我们做了一些关于需要多少额外的风化来解释 O 2下降的测试，这并非不合理。理论上，它可以解释所观察到的程度。”

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