地球化學模型暗示：地球的溫度控制具有內置的限制機制 _地球化學

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地球化學家Katherine Maher
據中國科學報（張章）：很明顯，地球擁有一個恒溫器，幫助生命在這里連續繁榮了30億年甚至更久。但研究人員數十年來一直在爭論恒溫器是如何運轉的——尤其當某些事物重設溫度時，例如4000萬年前，地球開始從“溫室”氣溫轉入“冰庫”溫度。地球科學家懷疑，喜馬拉雅山的升高觸發了寒流加速發展，但是沒有人能解釋是什么使地球免于重回冰河時代。
近日，在線發表于《科學》雜志的一個地球化學模型暗示，地球的溫度控制具有內置的限制機制，這根植于巖石和水流的化學反應。該模型由美國加利福尼亞州斯坦福大學地球化學家Katherine Maher和C. Page Chamberlain提出。他們將地球氣候控制系統視為一個工業化學品反應器，并用巖石、空氣和水流代替了管道、大桶和閥門。
【地球化學模型暗示：地球的溫度控制具有內置的限制機制】火山爆發能提供二氧化碳，這種溫室氣體可以加熱地球。但二氧化碳也能溶于水，變成能溶解巖石的碳酸。這種酸的產物會風干然后進入河流，匯入大海。在那里，微觀動物將它們與來自空氣的更多二氧化碳結合，以形成更堅硬的骨骼。動物死后，其最終被埋葬在海床之下。
地球科學家贊成通過將二氧化碳吸出大氣層并埋藏，這個巨大的反應網絡能避免溫室氣體將地球變成一個像金星一樣炙熱的地獄。山脈在這里扮演了重要角色。例如，你可能會猜測，亞馬遜河搬運的大部分溶解巖石來自積水的亞馬遜盆地，因為水流在那里耗費了大量時間。實際上，大部分溶解巖石來自安第斯山脈。盡管水流快速穿過這里，但仍在升高的山脈還是提供了新鮮、易于風化的礦物質，而相比之下，盆地土壤日益貧瘠，貢獻寥寥無幾。
因此，山脈隆起理應加速巖石風化，并降低恒溫作用。上世紀90年代初期，美國紐約萊蒙特—道荷提地球觀測所氣候學家Maureen Raymo及其同事提出，4000萬年前發生的喜馬拉雅山和青藏高原隆起增強了侵蝕作用及此類酸化物風干，并從大氣中吸收二氧化碳，最終冷卻了氣候。但是批評者提到，這一過程是如何在將氣候帶入一個深度凍結前回穩的？沒有人有好的答案。
Maher和Chamberlain嘗試了一個新方法。之前的地球化學模型簡單地插入有關風化作用速度的假設，而他們的模擬還包括詳細的風化過程。結果顯示，風化作用的效果主要依賴兩個因素：水流與土壤中新鮮和易風化巖石的接觸時間，以及水承載的化學熱力學所允許的溶解礦物質最大負載量所需要的時間。
該模型顯示了，伴隨著安第斯山脈等主要山脈升高的加速侵蝕作用是如何回收更多的碳到海床，并冷卻地球的。但是熱力學負載極限限制了即使最快的造山運動對氣候的冷卻程度。另一個因素也是如此。低溫促使風化作用更加緩慢。作為結果，全球變冷放慢了整個大陸的風化作用，并控制了造山運動帶來的冷卻。這些答案反駁了喜馬拉雅山造山運動可能使地球陷入酷寒的猜測。
“他們得出了一個絕妙理論。”美國耶魯大學榮譽教授、地球化學模型家Robert Berner說，“他們正在進行一個比之前更精密復雜的工作，也讓它更有趣。”賓夕法尼亞州立大學伯克分校地球化學模型家Lee Kump指出，將風化作用細節和造山運動統一在一起，解決了過去模型出現的矛盾。他稱這項工作是“簡潔明確的” 。