科技文明是否依赖大气氧气？

熊明青

氧气大气取决于行星的大小和温度。信用:巴尔比&弗兰克

据《今日宇宙》（布莱恩·科柏林）：大约200万年前，一种直立猿人开始使用火。这是一个渐进的过程，从投机取巧的自然火使用者到能够用燧石和嫩枝制造火焰的大师。我们是他们的后代。我们是锻炉和窑、壁炉和家的生物。火对我们来说变得如此重要，以至于我们可以称自己为火猿，而不是智人。火是我们文明崛起的核心。它煮我们的食物，让我们温暖，照亮我们的夜晚。这提出了一个有趣的问题。我们能建立一个没有火的文明吗？

只有在含氧量高的大气中才有可能着火。在氧气含量低于18%的环境中，不能有明火。可靠的点火可能需要高达20%的水平。地球大气层目前的氧气含量为21%，但在大约2亿年的时间里一直稳定在18%以上。在地球历史的大部分时间里，明火是不可能的。地球是我们太阳系中唯一一个含氧量很高的行星。因此，虽然行星在宇宙中很常见，但可能有火的行星可能很罕见。如果文明需要火来产生，大气中的氧气可能是瓶颈。

这个瓶颈是最近发表在预印服务器Arxiv上的一项研究的焦点。它着眼于一颗行星拥有富氧大气的要求，发现这些限制相当严格。在大气中产生自由氧只有两种主要方式。首先是生物起源，生命体通过光合作用产生氧气。第二个是非生物过程，高层大气中的水蒸气被紫外线分解成氢气和氧气。

这项研究表明，主导机制取决于行星的大小和温度。在地球温度下，游离氧需要活的生物体。但如果行星太小，它就不能容纳足够的生命大气，如果太大，它的大气将被氢和氦所主导，生物不能产生足够的氧来突破18%的门槛。所以地球温度超级地球的居民可能不会有明火。

对于较热的行星，非生物机制占主导地位，但只有当行星大于地球时。小而热的行星没有足够厚的水蒸气来产生大量的氧气。金星就是一个很好的例子，它对生物氧气来说太热，但对非生物氧气来说又不够大。这意味着如果我们发现一个富含氧气的超级地球，那么它很可能是由非生物方式产生的。生物仍然有可能利用氧气，包括用火来创造文明。

大气中氧气的问题是复杂的，本文不涉及真正的细节。它的目的是概述在潜在的可居住世界中生火能力的限制。当我们在天堂寻找生命时，我们可能需要区分潜在的宜居世界和潜在的文明世界。

后者可能比我们曾经希望的要难得多。