太陽在數十億年的時間裡逐漸變得更亮。這一自然過程緩慢但不可避免地改變了地球大氣層的氣候和化學成分。科學模型表明，複雜生命所必需的富氧大氣是有時間限制的。
日本東邦大學和美國喬治亞理工學院的研究人員開發了一種結合了氣候、生物地球化學和地質過程的模型。他們進行了超過 40 萬次模擬來找出不確定性。中心結果表明，高於目前水準 1% 的氧氣水準應持續約 10.8 億年，誤差幅度為 1.4 億年。
模式模擬地球大氣層的演變
太陽光度的增加會增加表面溫度。隨著時間的推移，這會影響光合作用二氧化碳的可用性。植物和其他產氧生物面臨限制。
一系列反應導致氧氣產量減少。一旦達到臨界點，模型就會快速脫氧。大氣層將恢復到與大約 24 億年前發生的大氧化事件之前的太古宙類似的條件。
這種轉變發生在強烈的潮濕溫室效應或海水大量流失到太空之前。脫氧的發生是由於碳酸鹽-矽酸鹽循環以及地函、海洋和地殼之間減少的能量流動。
- 太陽光度的增加導致氣候逐漸變暖
- 二氧化碳減少限制了陸地光合作用
- 生物產氧量下降
- 含氧氣氛的光化學失穩
- 在較短的地質間隔內恢復到非常低的氧氣水平
研究得到了 NASA 的支持
這項工作是 NASA 系外行星系統科學計畫的一部分。作者是尾崎和美和克里斯多福·T·萊因哈德。這篇文章發表在 2021 年《自然地球科學》雜誌上，至今仍然是行星宜居性討論的參考。
科學家強調，這種情況涉及極長的時間尺度。沒有任何跡象表明對當前全球暖化有影響，全球暖化有明顯的人為原因。太陽演化是一個自然而緩慢的因素。
氧氣損失先於海洋蒸發
另一項由加州大學聖地牙哥分校的張克明領導的研究從 2024 年開始進行，估計在海洋完全消失之前，地球將繼續適宜居住約一兆年。
這願景強化了事件的順序。在地球完全脫水之前，大氣中的氧氣會大量流失。複雜的、依賴氧氣的生命將首先受到影響。
更簡單的生命形式或那些適應低氧氣水平的生命形式可能會持續更長的時間。然而，主要模型著重於當前的含氧大氣作為已知複雜生物圈的條件。
對在其他行星上尋找生命的影響
研究結果強調，富氧大氣層在宜居行星上並不是永久存在的。基於氧氣的生物特徵需要考慮臨時階段。
研究人員提請人們注意檢測系外行星上低氧甚至缺氧大氣的重要性。大氣中的有機霧霾可能標誌著宜居性的最後階段。
研究強調，宜居性具有由恆星演化和行星周期定義的時間窗口。地球在深層地質尺度上提供了這種動態的具體例子。
太陽演化的更大背景
太陽的黃金時期已經過半了。大約50億年後，它將膨脹成一顆紅巨星，並可能吞噬內行星。生活中的問題很早就開始出現。
太陽光度每十億年增加約 10%。這種累積的暖化引發了預期的大氣變化。氣候和化學模型捕捉到了這一軌跡。
科學家們繼續完善模擬。火山活動或內部和表面之間流量減少的變化等因素可以調整確切的時間範圍。 10.8億年的平均值代表了最有可能的情況。
該調查並未預測即將發生的災難。它描述了塑造地球生物圈長期命運的自然過程。