【中国气象报】大气含氧量:偏高偏低都非好事

日期:2019-03-06 阅读: 来源: 关键词:

本期嘉宾:必威官网首页 大气科学学院教授 黄建平

■本期观点:工业革命以来,大规模的化石燃料燃烧、人口增长、过度放牧、城市扩张等人类活动大大增加了氧气的消耗量,使得长期维持的氧气收支平衡被打破。建设生态文明,不仅要减排,更要建设一个能够自我恢复的生态系统。

■采访人:本报记者 王天雨

生命呼吸、燃料燃烧和一切氧化过程都需要消耗氧气,氧气在全球生物化学循环过程中起着绝对重要作用。如果地球大气中没有氧气,人类就无法生存。那么,大气氧气含量下降会对地球环境造成怎样的影响?大气含氧量是越高越好吗?

追踪大气"氧来源"

大气含氧量也可称为大气氧浓度,通俗地讲,就是氧气在空气中的占比。在地球氧气生产量与消耗量保持基本平衡的情况下,大气含氧量一般稳定在21%左右。

但事实上,从漫长的时间横轴来看,大气含氧量并非一成不变,反而是处于不断的变化之中。国外相关研究显示,寒武纪之前,地球只有微量的氧气存在,寒武纪之后,氧气含量呈暴发式增长,于石炭纪达到高峰,当时大气中氧气含量超过35%,之后开始缓慢下降。随着大气的"脾气"不断趋于稳定,氧气含量也围绕着21%发生较为微妙的波动。

关于氧气含量的变化,人们首先想到的往往是绿色植物的光合作用。实际上,光合作用对大气含氧量并没有多大影响。光合作用仅仅是促成大气中氧和碳的循环,使氧气处于动态平衡当中,不会改变大气中的氧气含量。

真正改变大气含氧量的是一些地质运动和某些细菌的生物化学过程。地质运动会让地球深处的岩石暴露出来,这些岩石成分中含有很多还原性物质,将本被固化的氧元素还原为氧气释放到大气中。一些细菌或微生物的生物化学作用可以实现水的分解从而释放氧气。

当氧气含量达到一定程度后,臭氧层形成,紫外线强度大幅度下降。同时,随着高等植物逐渐取代光合细菌等,微生物作用分解的水也逐渐减少,而目前已不足以弥补地质运动对氧气的消耗,所以从大尺度看,氧气是逐渐减少的。

大气含氧量正在"悄悄"降低

近百年来,气候系统正经历着以全球变暖为主要特征的显著变化。在科学界密切关注大气中二氧化碳浓度迅速增加对全球气候、生态系统的影响时,地球大气含氧量也在"悄悄"地随之发生着不小的变化。

"过去我们一直倍加关注大气中二氧化碳浓度的快速上升,却忽视了氧浓度的变化。"黄建平说。工业革命以来,大规模的化石燃料燃烧、人口增长、过度放牧、城市扩张等人类活动大大增加了氧气的消耗量,这使得长期维持的氧气收支平衡被打破,氧气亏损正在增大。

黄建平及其科研团队通过量化人类活动对全球氧气收支长期变化的影响,对未来氧气浓度的变化情况进行了预估。结果显示,化石燃料燃烧是引起氧气浓度下降的主要原因。"全球9个站点1989年至今的观测资料显示,大气中氧气浓度下降的速度是二氧化碳上升速度的两倍。假定二氧化碳排放维持高排放情景,预计本世纪末,年氧气消耗将增加近两倍。"

据介绍,目前陆地和海洋生态系统氧气产量仅约17.8Gt(气体重量计量单位),而全球耗氧总量每年已达39Gt。其中,化石燃料燃烧年消耗约25Gt氧气,是氧气浓度下降的主要原因。人类活动所消耗的氧气远远高于生态系统产生的氧气,这造成大气中氧气含量正以每年约21.2Gt的速度降低,预计本世纪末大气中氧气年消耗量约达100Gt。

缺氧会导致土地"癌化"

"如果将地球气候系统比作人体,目前氧气浓度下降对地球的影响可以用‘癌症'来形容。缺氧导致土地‘癌化',而发生病变的土地会不断扩张吞噬人类赖以生存的健康土地。"黄建平说,"土地失去植被,就会中断人类赖以生存的食物链,也将丧失存储地下水的能力,降水量随之减少,形成沙漠和干旱区。如果没有人为改善,沙漠会继续向周边蔓延,这种情况如同人类的癌细胞,汲取周围健康细胞的营养,并疯狂地扩散,最终危及生命。"

如果人类不及时控制化石燃料燃烧,到本世纪末,全球健康土地将仅剩23%,"癌化"及"死亡"土地分别达40%和21%。"虽然目前氧气浓度的下降尚未对人类健康造成显著威胁,但我们赖以生存的环境和呼吸的空气正悄然间发生巨大的变化。从人类发展角度看,如果我们一直保持现在的生活方式,终将造成地球环境的显著变化。"黄建平说。

黄建平表示,建设生态文明,不仅仅要减排,更要建设一个能够自我恢复的生态系统。目前,人类正在无情地消耗地球几十亿年进化过程中所累积的氧气,这些变化终将威胁人类的生存,应当引起科学界和各国政府的高度重视,并尽快拟定应对方案。"学术界更应关注关于整个氧循环系统的多方向发散研究,比如海洋与陆地的氧收支,工业、人类、生物耗氧量的精细区分等。"

大气含氧量并非越高越好

以人们熟知的化学常识为例,"铁丝在空气中久而久之生成不完全氧化的三氧化二铁,在纯氧中燃烧则生成三氧化四铁。这就说明在生物化学反应过程中,氧浓度不同会造成不小的氧化结果差别。"黄建平说。

如果大气含氧量增多,会加速生物体内代谢速度,生物的生长速度也会加快,这将大大加速人类和动物的衰老进程;空气中氧气含量过高会导致微生物活动增强,暴露在空气的食物便更容易腐烂、不易储存,给我们的生活带来诸多不便。

需要注意的是,若氧气含量增多,地球上几乎所有动物的生长速度都会加快,体型也会增大,人类也不例外。其他生物体型增大或许不会给人类生存带来太多威胁,但全球生物的体型都一致增大,会让地球变得"拥挤不堪",这或会导致地球资源不足,进而引发种群斗争。

此外,科学研究发现,大气含氧量如果超过35%便极为危险。此时的大气极易自燃,地球随时随地都有可能发生火灾,那样,地球就会变成一片火的海洋,成为一座生命的地狱。在大气含氧量较高的石炭纪时期,一个雷便能引发一场森林火灾。

(中国气象报 2019年3月6日 3版科技)

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编辑: 法伊莎

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