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科学家阐释地球如何逃离深度冻结

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核心提示:近日,科学家通过模型阐释了地球如何逃离深度冻结。地球的温度控制具有内置的限制机制,这根植于岩石和水流的化学反应。

冰岛,快速侵蚀产生了富含风化矿物质的土壤。插图为地球化学家Katherine Maher。图片来源:KATHERINE MAHER,MATTHEW ROTHE

很明显,地球拥有一个恒温器,帮助生命在这里连续繁荣了30亿年甚至更久。但研究人员数十年来一直在争论恒温器是如何运转的——尤其当某些事物重设温度时,例如4000万年前,地球开始从“温室”气温转入“冰库”温度。地球科学家怀疑,喜马拉雅山的升高触发了寒流加速发展,但是没有人能解释是什么使地球免于重回冰河时代。

近日,在线发表于《科学》杂志的一个地球化学模型暗示,地球的温度控制具有内置的限制机制,这根植于岩石和水流的化学反应。该模型由美国加利福尼亚州斯坦福大学地球化学家Katherine Maher和C. Page Chamberlain提出。他们将地球气候控制系统视为一个工业化学品反应器,并用岩石、空气和水流代替了管道、大桶和阀门。

火山爆发能提供二氧化碳,这种温室气体可以加热地球。但二氧化碳也能溶于水,变成能溶解岩石的碳酸。这种酸的产物会风干然后进入河流,汇入大海。在那里,微观动物将它们与来自空气的更多二氧化碳结合,以形成更坚硬的骨骼。动物死后,其最终被埋葬在海床之下。

地球科学家赞成通过将二氧化碳吸出大气层并埋藏,这个巨大的反应网络能避免温室气体将地球变成一个像金星一样炙热的地狱。山脉在这里扮演了重要角色。例如,你可能会猜测,亚马逊河搬运的大部分溶解岩石来自积水的亚马逊盆地,因为水流在那里耗费了大量时间。实际上,大部分溶解岩石来自安第斯山脉。尽管水流快速穿过这里,但仍在升高的山脉还是提供了新鲜、易于风化的矿物质,而相比之下,盆地土壤日益贫瘠,贡献寥寥无几。

因此,山脉隆起理应加速岩石风化,并降低恒温作用。上世纪90年代初期,美国纽约莱蒙特—道荷提地球观测所气候学家Maureen Raymo及其同事提出,4000万年前发生的喜马拉雅山和青藏高原隆起增强了侵蚀作用及此类酸化物风干,并从大气中吸收二氧化碳,最终冷却了气候。但是批评者提到,这一过程是如何在将气候带入一个深度冻结前回稳的?没有人有好的答案。

Maher和Chamberlain尝试了一个新方法。之前的地球化学模型简单地插入有关风化作用速度的假设,而他们的模拟还包括详细的风化过程。结果显示,风化作用的效果主要依赖两个因素:水流与土壤中新鲜和易风化岩石的接触时间,以及水承载的化学热力学所允许的溶解矿物质最大负载量所需要的时间。

该模型显示了,伴随着安第斯山脉等主要山脉升高的加速侵蚀作用是如何回收更多的碳到海床,并冷却地球的。但是热力学负载极限限制了即使最快的造山运动对气候的冷却程度。另一个因素也是如此。低温促使风化作用更加缓慢。作为结果,全球变冷放慢了整个大陆的风化作用,并控制了造山运动带来的冷却。这些答案反驳了喜马拉雅山造山运动可能使地球陷入酷寒的猜测。

“他们得出了一个绝妙理论。”美国耶鲁大学荣誉教授、地球化学模型家Robert Berner说,“他们正在进行一个比之前更精密复杂的工作,也让它更有趣。”宾夕法尼亚州立大学伯克分校地球化学模型家Lee Kump指出,将风化作用细节和造山运动统一在一起,解决了过去模型出现的矛盾。他称这项工作是“简洁明确的”。

Kump指出,目前实地考察工作者知道他们需要改善哪些测量值,例如水流如何穿过流域盆地等。将更多真实数据输入模型,研究人员能够更进一步建立自信,相信自己模拟的地球化学反应器与水、气体和岩石的真实情况相匹配。(来源:中国科学报 记者 张章)

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