对地球化学循环的整体观察揭示了地球如何保持适宜居住

我们都知道地球很特别，但我们可能没有完全意识到这个星球上有多么美好。与它的行星邻居不同，由于复杂且不断变化的元素舞蹈，地球已经保持了数十亿年的宜居状态。

芝加哥大学、莱斯大学和加州理工学院的研究人员进行的一项研究为生物地球化学循环的微妙平衡提供了新的线索，这种平衡使地球保持温和、水润和繁荣。

海洋、大气和陆地之间的元素循环在保持气候稳定方面发挥着重要作用，但它是如此复杂，以至于科学家通常会分离出整体的各个部分，以试图更好地掌握它们是如何工作的。然而，3月13日发表在《美国国家科学院院刊》上的一项新研究提供了不同的方法。

相反，研究人员提供了一种广泛、简化的观点，使用一套新的数学工具来阐明以前难以发现的不同化学循环之间的关系。

“我们的方法提供了一种新方法来确定地球气候化学成分稳定性的基本组成部分——由于元素在海洋、大气和岩石中的移动，气候在地质时期内保持稳定的基本方式芝加哥大学TC张伯伦博士后研究员、该论文的第一作者PrestonCosslettKemeny说。

芝加哥大学助理说：“这是一种优雅、简化的方式来思考一个巨大的问题，它将之前对元素循环的大量研究组织成一系列可以平衡和理解的化学反应。”ClaraBlättler教授，该论文的资深作者。

周期和气候

我们常常理所当然地认为地球已经支持了复杂的生命数亿年。但这种稳定性肯定无法得到保证——人们只需要看看隔壁的火星和金星，它们的形成材料与地球大致相同，但目前甚至不支持液态水。地球的秘密是什么?

一个关键方面是化学循环。碳、硫和钙等元素在陆地、海洋和大气之间移动，使地球表面的条件在数亿年里保持相对稳定。

例如，科学家认为地球的温度部分是通过碳在海洋、大气和陆地之间逐渐来回转移来维持的。当二氧化碳在大气中积聚并加热地表时，它会导致岩石更快分解——将碳转移到海洋中，随后转移到海底的岩石中。数百万年来，随着碳从大气中被吸走，地球逐渐冷却下来。

解开这些循环是几十年来的工作。这是具有挑战性的，因为周期持续数百万年，不断变化，发生在整个地球上，并且不断相互作用。它是如此复杂，以至于科学家通常只检查整个图片的各个部分——通常考虑有限数量的元素循环或其相互作用的一小部分。但当拼图的某些部分缺失时，研究人员就必须做出假设来填补空白。

凯梅尼想知道，这种方式是否会掩盖生物地球化学相互作用如何导致行星稳定性的整体情况。

他与布莱特勒、莱斯大学的马克·托雷斯和加州理工学院的伍德沃德·费舍尔一起后退了一步。他们进行了一项数学分析，其中考虑了构成主要化学循环的各种化学反应，但没有具体说明这些循环彼此相互作用的方式或程度。

其结果是一个框架，它确定了平衡地球碳循环及其相互关系的所有主要和次要反应组合——这是该领域所缺失的。从这个角度来看，地球的气候可以用一组相互关联的化学方程式来表示，这些方程式必须在特定的时间段内达到平衡。

作者表示，随着科学家继续研究地球的历史以及气候如何随时间变化，他们的工作很有用。

“例如，假设你正在考虑一个关于过去气候变化原因的假设，例如过去6500万年的大幅变冷，”Kemeny说。“你可以采用这个框架并用它来表示，如果X过程增加或减少，那么它也应该导致Y发生，或者需要通过Z来平衡，并且你必须考虑这些结果-因此，通过这一预测，我们可以寻找整个地球化学系统联合运作的证据。”

当从鸟瞰角度观察时，化学循环之间的其他关系可以变得可见。“例如，这项分析确定了一种平衡海洋-大气系统中碳通量同时积累大气氧气的新方法，”凯梅尼说。

总体而言，“我们希望这是一种美丽的方式，可以帮助理解使地球成为生命进化的安全场所所涉及的所有化学成分，”布拉特勒说。

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