大氧化事件以来的氢逃逸氧阀门

大氧化事件（GOE）是约 24 亿年前发生的一次为期 $200$ Myr 的过渡，它将地球的无氧大气转化为分子氧（O$_2$）丰富的大气（体积混合比 $>10^{-4}$）。人们认为，O$_2$ 的这一显著上升大幅节流了氢（H）逃逸及相关的失水（H$_2$O）。从 GOE 开始的大气估算表明，O$_2$ 浓度在 0.1% 到 150% PAL 之间变化，其中 PAL 指现今 21% 体积的大氧浓度水平。在本研究中，我们使用三维地球系统模型 WACCM6 模拟地球大气，并预测 GOE 后由于不同 O$_2$ 浓度导致的氢的扩散限制逃逸率。我们发现，在模拟中 O$_2$ 间接充当了控制到达均温层氢原子数量的阀门：O$_2$ 减少导致 O$_3$ 密度降低，使热带对流层顶温度降低达 17 K，这增加了 H$_2$O 的冻干效应，从而减少了所考虑场景中氢的主要来源。所有模拟在均温层总 H 混合比及相关的扩散限制逃逸率的最大差异分别为 3.2 倍和 4.7 倍。设定的 CH$_4$ 混合比（0.8 ppmv）设定了约 $\approx 2 \times 10^{10}$ mol H yr$^{-1}$ 的最小扩散逃逸率，与 GOE 前的估算值（$\sim10^{12}-10^{13}$ mol H yr$^{-1}$）相比，这实际上是一个可忽略的速率。由于我们预测的逃逸率变化相对较小，我们的数值预测支持了地质证据，即地球的大部分氢逃逸发生在 GOE 之前。我们的工作表明，估算地球历史上氢逃逸率的演变需要包含全球水汽微物理处理的 3D 化学气候模型。