Researchers find origin of 'breathable' atmosphere half a billion years ago
http://www.physorg.com/news112885042.html
October 29, 2007
俄亥俄州立大學的地質學家及其同僚發現地球何時首度能支持一個富含氧氣的大氣，類似於我們今日所呼吸的。
該研究指出地殼巨變在五億年前開始了一種溫室效應逆轉，那使世界的海洋變冷，使得浮游生物大量生長，並使大量氧氣衝入大氣。
氧氣很可能幫忙觸發地球歷史上其中一個最龐大的生物多樣性成長。
Matthew Saltzman，俄亥俄州大的地球科學助教授，在週日於丹佛舉行的 Geological Society of America 聚會中報告這項發現。
近十年來，他與他的團隊都在組合發生在 5 億年前的氣候變化證據，時值寒武紀晚期（late Cambrian period）。他們測量取自於世界各地的岩核中不同數量的化學物質，將該時期複雜的事件連鎖拼湊在一起。
他們最新的測量，取自於美國中部與澳洲內陸的岩核，揭露了一件地質事件，稱為 Steptoean Positive Carbon Isotope Excursion (SPICE，斯特普托期同位素正漂移)，的新證據。
岩石中碳與硫的總量指出，該事件大大地冷卻地球的氣候超過 200 萬年 -- 以地質學的標準來說相當短暫。在該事件之前，地球是個大溫室，二氧化碳比今日大氣要多上 20 倍。在這之後，地球被冷卻，而二氧化碳被氧取而代之。氣候與大氣組成可能類似於今日。
"如果我們能回到過去，然後在寒武紀晚期到處逛逛，我們可能會覺得這頭一遭像是在家裡一樣，" Saltzman 說。"當然，那時陸地上沒有生物，所以並不全然讓人舒服。"
那時陸地缺乏動、植物，不過在海洋中有生命，大部是浮游生物、海綿與三葉蟲的形態。我們今日已知，最早期的動、植物祖先，在寒武紀時就已經存在，不過生物多樣性並不高。
接著，在奧陶紀（Ordovician）時期，那大約始於 4 億 9 千萬年前，許多新物種開始湧現。第一批珊瑚礁在那時候形成，而第一隻真正的魚悠游其間。新植物演化，並開始殖民陸地。
"如果你逐漸拍攝「生命樹」的演化，" 大部分的主幹從寒武紀期間就開始存在，不過大部分的枝枒直到奧陶紀才開始充斥，" Saltzman 說。"那時候動物才真正在科（family）與基因層級發展。" 研究者稱此多樣化為「奧陶紀輻射（Ordovician radiation）」。
大氣的組成自那時起改變過許多次，不過寒武紀的改變幅度相當矚目。這也是為何 Saltzman 等人將這種在 SPICE 事件期間的氧氣突然湧現指涉為「脈衝」或「爆發」。
"在這次氧的脈衝之後，在本質上世界仍保持一種穩定且溫暖的氣候，直到奧陶紀末期，" Saltzman 說。
"我們知道氧氣在 SPICE 事件中釋出，而且我們也知道它續存在大氣中數百萬年 -- 在奧陶紀輻射期間 -- 故時間線顯然相符。不過要說 SPICE 事件觸發多樣化，有點狡猾，因為那很難區分多樣性何時開始，" 他說。
"我們將需要與古植物學家合作，他們了解氧增加到何種程度能到致多樣化。將二事件在時間上精確地聯繫，總會相當困難，但如果我們在概念上能將它們相連，那麼這將變成一個更具說服力的故事。"
在 1998 年 Saltzman 於美西岩石中發現 SPICE 事件第一個證據之前，研究者就已經在嘗試了解寒武紀期間的氣候突變。之後，來自於歐洲的岩石支持他的假說，不過來自於愛荷華中部與澳洲昆士蘭的最新發現證明 SPICE 事件在世界各地都發生過。
在寒武紀時期，大部分今日我們已知的大陸不是在水面下，就是岡瓦納超級大陸（Gondwan supercontinent）的一部份 Saltzman 解釋。構造活動（tectonic activity）將新岩石推升到表面，在那裡它馬上被酸雨侵蝕殆盡。這樣的化學風化作用將大氣中的二氧化碳扯出來，將碳陷於沈積物當中，並釋出氧 -- 這就好像溫室效應的逆轉一樣。
"我們從我們先前的研究得知，在 SPICE 期間碳被捕捉而氧則被釋出，不過我們不確定氧會停留在大氣中，" Saltzman 說。
他們比較了無機碳（在風化期間捕獲）與有機碳（由浮游生物在光合作用當中產生）的測量。而且因為浮游生物內含不同比率的碳同位素（端看大氣中氧的總量），故地質學家能夠雙重確認他們對該時期有多少氧氣釋出，以及在大氣當中停留多久的估計。
他們也研究硫的同位素，要決定是否有很多釋出的氧又被沈積物重新捕捉。
結果不是那樣。
Saltzman 解釋事件的連鎖已這種方式進行：構造活動導致風化增加，那將二氧化碳從大氣中拉出，並使氣候變冷。接著，當海洋冷卻到更宜人的溫度後，浮游生物開始興旺 -- 接著透過光合作用製造更多氧到大氣中。
"這是種雙重打擊（double whammy），" 他說。"當我們將碳與硫的同位素資料結合時，根本無法避免（no way around it） -- 氧濃度在那時劇烈上升。"
這事件所能告訴我們的是關於今日的氣候改變。"氧濃度已穩定至少 5 千萬年了，不過它們在過去 5 億年有過波動，" Saltzman 說。"我們證實在寒武紀晚期的氧爆發只發生 2 百萬年，故這指出碳循環（carbon cycle）的敏感性，以及世事有多麼的無常。"
全球冷卻很可能讓生物在奧陶紀提早興旺，不過大約在 4 億 5 千萬年前，更多的構造活動 -- 很可能，讓阿爾卑斯山上升 -- 帶來致命的冰河期。故，雖然在奧陶紀時期有很多動、植物出現，但是最終有超過半數以上的物種滅絕。
※ 氧對於當時的生物是不是「有毒」物質也要研究一下，否則突然冒出這麼多氧，他們受得了嗎？
＊ Geological Society of America
http://www.geosociety.org/
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中國歷代興衰 和湖泊鈦有關
【聯合報╱記者蔡宗明／台南市報導】 2007.11.02
成大博士後研究員、中國科學院研究員周厚雲，研究湖泊中鈦的沈積量，發現與中國歷代盛衰、朝代更替有關；鈦量多時，氣候乾旱多戰亂，容易改朝換代，含鈦量低時，雨水豐沛國力強，多屬昇平盛世，成為古氣候科學研究新發現。
成大地球動力系統研究中心研究員周厚雲專研古氣候變遷，他的「湖光岩沈積物中的鈦指示冬季季風嗎？」研究，登上11月國際知名期刊「Nature」雜誌。
他以華南沿海廣東省的瑪爾湖為研究基地，發現寒冷乾旱期的湖光岩沈積物中，鈦的含量高，而高溫多雨季節，鈦的含量相對減少。
他從歷史學家提供的中國歷代盛衰變遷資料，印證湖泊中鈦含量直接與氣候變化有關，得到「鈦含量高，農業民生凋敝，戰亂多易改朝換代；鈦含量低，呈現社會富饒、國力強盛」現象。
德國學者Yancheva et al今年1月發表於「Nature」的「間熱帶合區對東亞季風之影響」論文，也指出湖泊沈積物的鈦濃度，反應中國歷代盛衰及瑪雅文化的變遷歷史；雨水豐沛期國力強盛，社會富饒，乾旱期則多戰亂，論點與周厚雲相同。
周厚雲指出，Yancheva et al應用華南沿海湖光岩湖泊沉積物中的鈦含量，高精度重建16000年以來的冬季季風演化，說明中國歷代盛衰受冬季季風影響。
他研究發現湖光岩中的鈦，主要來自湖泊流域，鈦含量與湖泊水文變化有關，是古氣候科學研究的新發現，進而推翻Yancheva et al指華南地區湖泊來自流域的汰少，沉積物應是風力從中國北方乾旱區搬運而來的論點。
他指出，華南沿海高溫多雨，風化和侵蝕相當強烈，在湖光岩流域中發育的玄武岩、火山碎屑岩及風化紅土，具有較高的鈦含量，應該是鈦的重要來源。
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