地球上的生物全部滅絕後，氧氣多久後會從大氣中消失？

11-29

本問題來自系外行星天文學家林潮，感謝孟澤洋同學記錄提供。

根據林潮教授學生王卓驍同學的解釋：

這個問題來源於：是否可以說只要觀察到系外行星上的 $O_2$ 就可以確認是生命的強力證據？
於是問：沒有生命，細菌也沒有， $O_2$ 在多長時間被行星上Si、Fe等元素還原固定在地層內？

#O1@Astroom

先簡單寫幾句。

參考了wikipedia: Oxygen cycle 由Walker, J. C. G. 1980年的工作給出估計 The Oxygen Cycle

1. 目前大氣的總質量： $10^{18} ,mathrm{kg}$

2. 氧氣的產生：生物作用為 $3 imes 10^{4}$ 單位，只有 4ppm單位（百萬分之四）是非生物作用產生的，考慮到後面非生物作用的消耗量，依然忽略不計。1個單位是 $10^{10} ,mathrm{kg/year}$

3. 氧氣的流失：目前當然是平衡的啦，雖然生物作用產生的氧氣是大頭，不過生物作用消耗的目前也是大頭，由Walker, J. C. G. 的工作估計，除去生物作用，只考慮
· 光化學分解（主要）
· 化學風化，也就是岩石圈氧化（主要）
· 雷電分解
· 轉化為臭氧
得到的氧氣消耗約為 $10^{3}$ 單位，（生物作用消耗是10倍以上）

4. 於是可以簡單估計：
$frac{10^{18} ,mathrm{kg}}{10^{13} ,mathrm{kg /year}} approx {10^{5}} ,mathrm{year}$

================
註：
1. 這是一個很粗略的估算，光化學分解和岩石固氧需要更多的參考。
2. $10^5,mathrm{year}$ 很快啊！行星系統早期百萬年的形成過程，劇烈的星體碰撞、火山活動、閃電也許能產生很多氧氣，但是消耗的時間相比目前的形成的時間，短過至少1個數量級。
3. 這是對目前地球質量的岩石行星估算的，對於超級地球也可以說差不多。岩石超級地球，目前發現的質量最大~20倍地球質量，雖然大氣質量也變多，但隨著壓強增大，化學風化也增強了。

如何盡量少地參考「領域專有知識」（比如地球化學或者生物化學的某些具體知識）進行這個問題的量級估計？好像不是特別容易，不過可以試試。

根據「常識」，地球的氧氣主要來自生物活動，也就是光合作用。如果假定當前地球的氧氣總量處於動態平衡，那麼，當生物消失後，氧氣應該以當前的氧氣產生速率消失。但這個假定是有問題的，因為氧氣的消耗也涉及生物過程，當生物消失後，氧氣的消耗速率也會降低。不過姑且按這個假定算算看。

光合作用的氧氣產生率是多少呢？缺乏生物化學的知識就不大好算。不過不妨這麼估算一下：

假定一個人一天吃掉一公斤食物，假定這些食物全是碳元素，那麼，全世界的人每年吃掉的碳原子個數是
100e8 * 365 * 1 / (12 * 1.67e-27) = 2e38.

當然，地球光合作用固定的碳不是全部餵給人吃的。那就假定，只有耕地上的光合作用是給人吃的。查到世界耕地面積是 15 億公頃，大致是地球總面積的三十分之一。

於是每年光合作用消耗的碳原子個數是 2e38 * 30 = 6e39 個，這也大致是光合作用產生的氧氣分子個數。

大氣氧分子總數是多少呢？大氣層厚度按 10 公里算，可估算為
4 * pi * (6400e3)^2 * 1e4 / (22.4e-4) * 6e23 = 1.4e45 個。

於是，消耗掉全部氧分子需要的時間是
1.4e45 / 6e39 = 2e5 年，
也就是二十萬年的量級。

在氧氣消失之前有很大的幾率會出現新的最原始生命，這個環境太適合出現生命了，只需要藉助一些閃電！全宇宙能找到多少像地球這麼適合碳基生命的絕佳的環境？硅基生命我是不信的！

首先，按照題主說的沒有任何生物，那地球表面應當是一片荒蕪，四處都是土壤，沙漠，石頭。
這些東西本來就多是氧化物，固定氧氣？恐怕固定不了多少。
所以想用這種方法消耗地球的氧氣？恐怕根本消耗不了。
但是地球的氧氣還是會一直減少，通過另外一個途徑，飄出地球。
至於計算方法，我不知道=_=，不獻醜了