地球大气中21%的氧气平衡是如何建立的?

Question

大气中21%是氧气．我认为，在产生氧气的过程(例如，化学反应)之间一定存在一种平衡。光合作用)和消耗氧气的生物(例如:有氧呼吸)。

此外，应该有一个自我调节的负反馈，如果系统被驱离平衡，它可以恢复平衡。如果氧气的量增加了，随着时间的推移，它就会减少，如果氧气的量减少了，它就会被补充。

是什么过程导致了这种负面反馈?

Answer 1

我不确定我能给出一个很好的技术答案。我不认为地球大气中的氧气含量是由于平衡，而更多的是太阳系的形成、地球化学和生物学的结果。

如果你观察内行星的形成，大部分气体和冰都被吹走了，因为它们的内部轨道，而行星在太阳系早期被非常活跃的日冕物质抛射击中。接近太阳的行星有三种可能的类型:1)小型岩石行星(地球、水星、金星、火星);2)热木星，它们大到足以捕获氢，即使它们靠近太阳;3)超级地球，它们有足够的引力捕获氢。

如果行星大气层中有大量的氢，那么氧气就不可能形成。氧会和氢结合。

地球没有足够的重力来捕获大量的氢，一些早期的大气会被大型流星撞击和日冕物质抛射吹走，这些在太阳年轻时更常见。

海洋的形成是地球大气形成的一个线索，因为没有大气就不可能有海洋。海洋形成于38亿年前，所以我们必须有大气层，至少有38亿年。

http://people.chem.duke.edu/~jds/cruise_chem/oceans/ocean1.html

年轻的地球大气主要是甲烷(CH₄)，氨(NH_3.)、水蒸气(H₂O)和二氧化碳(CO₂)根据上面的链接，一旦地球足够冷，水蒸气就变成了液态水(雨)，海洋开始形成。

快进到大氧化事件时，蓝藻，拉CO₂从空气中释放O₂．早些时候，O₂与海洋中的铁结合，其中一些可能与CH反应₄和NH_3.在大气中有闪电时。随着时间的推移，CO₂被从空中拉下来，被O₂和O₂与CH反应₄和NH_3.，产生更多的CO₂H₂0和N₂-我们今天共有的元素。

有蓝藻的行星上的氧含量，可能取决于海洋中溶解了多少铁，以及大气中有多少氢。如果CO不够的话₂产生足够的氧₂为了使铁和氢饱和，这颗行星可能永远不会有太多的氧₂在它的大气层中——所以这都是关于早期元素的比例。超级地球可能永远不会有氧气大气层，因为有太多的氢气。

你还会得到木质素的发展(从尼尔·德格拉斯的《宇宙》中得到)等因素http://evolution.about.com/od/Cosmos/fl/Cosmos-A-Spacetime-Odyssey-Recap-Episode-109.htm

木质素使树成为可能，但没有东西能吃树，所以树吸收了越来越多的碳，也就是CO₂水平下降，O₂水平上升。大约1亿年后，白蚁进化了，树木的消化释放了大量捕获的CO₂氧气和一氧化碳成为可能₂夷为平地。

贝类，要制作它们的壳，需要更多的O₂比二氧化碳多₂(碳酸钙中含有大量的氧气)。这是一个缓慢的过程，但随着时间的推移，它需要一些O₂从空气中,所以数千万年来,大气的部分有效地隔离和被困在地球地壳中,但随着时间的推移,其中一些也回到大气中火山活动,所以生命形式存在的类型也是一个因素,构造活动的程度是一个因素,是木星和多少的彗星可能会撞到地球和地球的大小。

更有可能的是，太阳系和行星因素导致了行星的大气层。

回答你的问题:

所以如果我们增加氧气的量，它就会随着时间的推移而减少，如果我们减少氧气，它就会得到补充。

关于氧气，很难做出决定。有限公司₂更容易。因为二氧化碳的比例相对较小₂在空气中，更多的CO₂会导致其中一些以石炭酸的形式溶解在海洋中，尽管海洋变暖也可能减缓海洋对CO的吸收₂．因为地球上有更多的氧气，21%对0.04%的CO₂如果是可测量的增长，比如21%到22%，你可能会看到溶解的氧略有增加₂在海洋中，但除此之外，我认为你不会很快看到额外的氧气消失。我的猜测是，如果这样的增长真的发生了，它将持续很长一段时间，如果不是数百万年，也会持续数十万年，因为氧气的吸收非常缓慢。昆虫会很快变大一点。这可能是最明显的影响。

如果你显著增加O₂浓度，比如从21%到30%，东西会明显变得更易燃，随着时间的推移，我们的肺可能会变得更小，可能会有其他影响。但我不相信有任何形式的均衡能很快让它回到21%。

Answer 2

大气中的氧含量并不是21%的平衡，只是变化非常缓慢。例如，氧在过去的80万年里减少了0.7%这可能是由于侵蚀加剧(暴露出更多可以氧化的岩石)和海洋变冷(可以吸收更多氧气)造成的。因此，虽然这在地质时间尺度上是一个缓慢的过程，但大气中氧气的含量确实在变化，并不是真正的平衡。

氧气在地球早期的大气中并不丰富，它具有化学反应性，因此很难积累。它主要是由生命形式创造的，只有几个原因才能在地质时期显著积累:

• 大气中的大部分氢都逃逸了，所以氧气不容易在大气中发生反应
• 火山活动的减少(火山活动产生的硫可以与氧气反应)也会导致更多的氧气积累。
• 一旦有足够的氧气使臭氧层形成，更多的生命形式得以发展，从而能够产生更多的氧气

值得注意的是，负反馈的概念以前已经被假设过了。也就是说，这场野火可能会限制大气中最大的氧气含量。由于在高氧环境中燃烧更容易发生，所以他们的想法是，如果大气中的氧气含量增加了21%以上，那么野火的发生就足以燃烧掉多余的氧气(从而减少树木的氧气产量)。然而，有证据表明，在古生代晚期，大气中的氧气含量高达35%，这并不支持野火是一种负反馈机制的观点。此外,这篇论文怀尔德曼等人说:

理论模型表明，在过去的550英里/年期间，大气中的氧气浓度达到了35% O2。之前使用纸条的燃烧实验挑战了这一观点，得出的结论是，如果氧气显著超过目前21%的水平，古代的野火就会毁灭植物生命。新的使用天然燃料的热化学和火焰传播实验与这些结果相矛盾，并表明在与活植物相同的水分含量下，森林燃料的持续燃烧不会发生在21%到35%之间。因此，在高氧浓度环境下的火灾不会阻止植物群落的持续存在。高O2的时间也与同时出现的防火植物形态、大型昆虫和高浓度化石炭的观察结果相一致。