[科普中国]-大气演化

背景

原始大气出现于距今约46亿年年以前，比人类出现的时间约早三个量级（人类出现距今数百万年），比人类最初出现文字记载的时间约早六个量级（文字出现距今数千年）。

所以人类无法获得各阶段的大气样本，只好依靠所发现的地层征迹和太阳系各行星上大气的资料，结合自然演化规律以及物理学、化学、生物学的理论和实验等，用模拟方法或逻辑推理进行研究。但所得的资料仍十分零星，而且地球大气的演化史，前同星系、太阳系、行量起源相衔接，后同人类对大气的影响相联系，本身又和地球的地质发展史、生命发展史等密切相关，加上研究其演变所牵涉到的学科很多，除大气科学本身外，和天文学、地质学、生物学、物理学、化学等，都有密切关系，所以要把一鳞半爪的资料串联为在地区上能横向调谐、在时间上能纵向连贯，在各学科研究结果间又能互相补充、互相印证，基本上符合自然发展规律，能科学地说明现在大气成分和结构机理的地球大气演化史，是十分困难的。

一些学者提出了地球大气的多种演变模式，这些模式往往由于研究者的主要专业的局限，作资料处理时所强调的方面不同，在许多细节上，难以统一认识，但模式的轮廓仍有其共同性，与细节相比，还是具有一定稳定性的。

过程原始大气阶段原始大气的形成与星系的形成密切有关。大约在50亿年前，大气伴随着地球的诞生就神秘地“出世”了。也就是拉普拉斯所说的星云开始凝聚时，地球周围就已经包围了大量的气体了。原始大气的主要成分是氢和氦。1当地球形成以后，由于地球内部放射性物质的衰变，进而引起能量的转换。这种转换对于地球大气的维持和消亡都是有作用的，再加上太阳风的强烈作用和地球刚形成时的引力较小，使得原始大气很快就消失掉了。

次生大气阶段地球生成以后，由于温度的下降，地球表面发生冷凝现象，而地球内部的高温又促使火山频繁活动，火山爆发时所形成的挥发气体，就逐渐代替了原始大气，而成为次生大气。次生大气的主要成分是二氧化碳、甲烷、氮、硫化氢和氨等一些分子量比较重的气体。1这些气体和地球的固体物质之间，互相吸引，互相依存。气体没有被地球偌大的离心力所抛弃，而成为大气的第二次生命枣次生大气。

现生大气阶段随着太阳辐射向地球表面的纵深发展，光波比较短的紫外线强烈的光合作用，使地球上的次生大气中生成了氧，而且氧的数量不断地增加。有了氧，就为地球上生命的出现提供了极为有利的“温床”。经过几十亿万年的分解、同化和演变，生命终于在地球这个襁褓中诞生了。原始的单细胞生命，在大气所纺织成的“摇蓝”中，不断地演变、进化，终于发展成了今天主宰世界文明的高级人类。今天的大气也在这个过程中，获得了如此一个“美满的家庭”。

今天的大气虽然是由多种气体组成的混合物，但主要成分是氮，其次是氧，另外还有一些其它的气体，但数量则极其微小的。今天的大气之所以形成这种情况，是由于地球长期演化的结果。

大气成分的演化关于今天的大气成分为什么是这样？它们是怎样长期演化来的，目前主要有两种看法。

一种看法认为今天的大气就是从地球原始大气演化而来的。另一种看法则认为，原始大气已经不存在了，现在的大气是由于地球内部火山活动所喷发出的物质演化成的。为了分析说明这个问题，我们可以和地球的左邻右舍(金星和火星)进行一下对比。

根据探测资料，金星的大气成分主要是碳酸气，它的下部主要是二氧化碳，另外还有少量的氧、氮、碳、氖、氦、水汽，上部有原子状态的氧。火星的大气成分主要是二氧化碳，另外还有些氨(NH)、氢、氧、水汽等物质。

假如地球原始大气也是以碳酸气为主的话，那么为什么和今天以氮和氧为主的成分不一样？假如地球大气主要是火山喷发出来的，根据现在火山喷发的资料来看，火山喷发物质中主要是水汽，占81%，二氧化碳占10%，另外还有氮、硫等等，但没有游离状态的氧。由此，可见，无论是从原始大气来看，还是从火山喷发气体中的这些成分都很少。而且大气中自从有了自由氧，才可能有臭氧的形成。有了氧，原始大气中的一氧化碳，经过氧化成为二氧化碳，甲烷经氧化成为水汽和二氧化碳，氨经氧化成为水汽和氮，因而二氧化碳才占优势。

二氧化碳在初始大气中占的分量很大，但是由于光合作用的发展，碳大量的被用来构成生物体，另外一部分碳溶解于海洋，成为海洋生物发展的一种物质。当大气中的二氧化碳较多时，溶解到海水体中的二氧化碳就相对增多。现在有一种看法认为，由于化石燃料的燃烧，二氧化碳的浓度在增大。但在二氧化碳浓度增大的同时，自然界生态平衡的结果也不可能使二氧化碳的浓度过分地增大，一定有一部分要溶解到水体中去。

再一个成分就是氮。现在大气中的主要成分是氮，但从原始大气中或火山喷发气中来看，氮的成分是很少的，只有百分之几。而现在氮的增多，主要有两个原因，一是氮的化学性质很不活跃，不太容易同其他物质化合，多呈游离状态存在；另一方面，氮在水中的溶解度很低，氮的溶解度仅相当于二氧化碳的七分之一，所以它大多以游离状态存在于大气中，由于二氧化碳的减少，初始水汽又大部分变成液态水，成为今天的水圈，相对来说，氮和氧的比例就增多了，所以今天氮有这么多，是和氮本身的特性有关的。当然，氮也进行着循环，一些根瘤菌可以吸收氮，使得一部分氮参加到生物循环里去，这些物质在腐烂分解后，又放出游离的氮；也有一小部分氮进入到地壳的硝酸盐中。氮虽参加循环，但大部分呈游离状态存在，相对来说，它的数量在增多，以致成为大气的主要成分。

由此我们可以得出两点结论：第一，现在的大气成分是地球长期演化的结果，是和水圈、生物圈、岩石圈进行充分的物质循环的结果。可以说，这几个圈层是相互联系，互相渗透的一个整体。第二，现在的大气成分还在不断的进行着循环过程之中，而且这个过程基本是平衡的，稳定的，在短时期内不是会有明显变化的。2

氮和氩的形成正如现在大气中的二氧化碳，最初有一部分是由次生大气中的甲烷和氧起化学作用而产生的一样，现在大气中的氮，最初有一部分是由次生大气中的氨和氧起化学作用而产生。火山喷发的气体中，也可能包含一部分氮。在动植物繁茂后，动植物排泄物和腐烂遗体能直接分解或间接地通过细菌分解为气体氮。氧虽是一种活泼的元素，但是氮是一种惰性气体，所以在常温下它们不易化合。这就是为什么氮能积集成大气中含量最多的成分，且能与次多成分氧相互并存于大气中的原因。至于现在大气中含量占第三位的氩，则是地壳中放射性钾衰变的副产品。

氧和二氧化碳的形成和变化在绿色植物尚未出现于地球上以前，高空尚无臭氧层存在，太阳远紫外辐射能穿透上层大气到达低空，把水汽分解为氢、氧两种元素。

当一部分氢逸出大气后，多余的氧就留存在大气中。在此过程中，因太阳远紫外线会破坏生命，所以地面上就不能存在生命。初生的生命仅能存在于远紫外辐射到达不了的深水中，利用局地金属氧化物中的氧维持生活，以后出现了氧介酶(Oxygen-mediating enzymes)，它可随生命移动而供应生命以氧，使生命能转移到浅水中活动，并在那里利用已被浅水过滤掉有害的紫外辐射的日光和溶入水中的二氧化碳来进行光合作用以增长躯体，从而发展了有叶绿体的绿色植物。于是光合作用结合水汽的光解作用使大气中的氧增加起来。大气中氧的组分较多时，在高空就可能形成臭氧层。这是氧分子与其受紫外辐射光解出的氧原子相结合而成的(见大气臭氧层)。

臭氧层一旦形成，就会吸收有害于生命的紫外辐射，低空水汽光解成氧的过程也不再进行。于是在低空，绿色植物的光合作用成为大气中氧形成的最重要原因。这时生命物因受到了臭氧层的屏护，不再受远紫外辐射的侵袭，且能得到氧的充分供应，就能脱离水域而登陆活动。总之，植物的出现和发展使大气中氧出现并逐渐增多起来，动物的出现借呼吸作用使大气中的氧和二氧化碳的比例得到调节。

此外，大气中的二氧化碳还通过地球的固相和液相成分同气相成分间的平衡过程来调节。 一般在现在大气发展的前期，地球温度尚高时，水汽和二氧化碳往往从固相岩石中被释放到大气中，使大气中水汽和二氧化碳增多。另外大气中甲烷和氧化合时，也能放出二氧化碳。但当现在大气发展的后期，地球温度降低，大气中的二氧化碳和水汽就可能结合到岩石中去。这种使很大一部分二氧化碳被锢禁到岩石中去的过程，是现在大气形成后期大气中二氧化碳含量减少的原因。再则，一般温度愈低，水中溶解的二氧化碳量就愈多，这又是现在大气形成后期二氧化碳含量比前期大为减少的原因之一。因为现在大气的温度比早期为低。 大气中氧含量逐渐增加是还原大气演变为现在大气的重要标志。

一般认为，在太古代晚期，尚属次生大气存在的阶段，已有厌氧性菌类和低等的蓝藻生存。约在太古代晚期到元古代前期，大气中氧含量已渐由现在大气氧含量的万分之一增为千分之一。地球上各种藻类繁多，它们在光合作用过程中可以制造氧。在距今约 6亿年前的元古代晚期到古生代初的初寒武纪，氧含量达现在大气氧的百分之一左右，这时高空大气形成的臭氧层，足以屏蔽太阳的紫外辐射而使浅水生物得以生存，在有充分二氧化碳供它们进行光合作用的条件下，浮游植物很快发展，多细胞生物也有发展。大体到古生代中期(距今约4亿多年前)的后志留纪或早泥盆纪，大气氧已增为现在的十分之一左右，植物和动物进入陆地，气候湿热，一些造煤树木生长旺盛，在光合作用下，大气中的氧含量急增。到了古生代后期的石炭纪和二叠纪(分别距今约3亿和2.5亿年前)，大气氧含量竟达现有大气氧含量的3倍，这促使动物大发展，为中生代初的三叠纪(距今约 2亿年前)的哺乳动物的出现提供了条件。由于大气氧的不断增多，到中生代中期的侏罗纪(距今约1.5亿年前)，就有巨大爬行动物如恐龙之属的出现，需氧量多的鸟类也出现了。但因植物不加控制地发展，使光合作用加强，大量消耗大气中的二氧化碳。这种消耗虽可由植物和动物发展后的呼吸作用产生的二氧化碳来补偿，但补偿量是不足的，结果大气中二氧化碳就减少了。二氧化碳的减少必导致大气保温能力减弱、降低了温度(见温室效应)，使大气中大量水分凝降，改变了天空阴霾多云的状况。

因此，中纬度地带四季遂趋分明。降温又会使结合到岩石中和溶解到水中的二氧化碳量增多，这又进一步减少空气中二氧化碳的含量，从而使大气中充满更多的阳光，有利于现代的被子植物(显花植物)的出现和发展。 由于光合作用的原料二氧化碳减少了，植物释出的氧就不敷巨大爬行类恐龙呼吸之用，再加上一些尚有争议的原因(例如近来有不少人认为恐龙等的绝灭是由于星体与地球相碰发生突变所致)，使恐龙之类的大爬行动物在白垩纪后期很快绝灭，但能够适应新的气候条件的哺乳动物却得到发展。这时已到了新生代，大气的成分已基本上和现在大气相近了。可见从次生大气演变为现在大气，氧含量有先增后减的迹象，其中在古生代末到中生代中期氧含量为最多。

人类活动对大气成分的影响地球自形成到现代，经历了原始大气、次生大气和现在大气三个阶段。但现在大气的成分,也不是永不再变的,它将随着今后自然条件的变化及人类活动的影响而发生变化。

氮例如自然界的氮在一定时期内近似地保持平衡。但是人畜的大量繁殖，使大气中自由氮转变为固定态氮的量不断增加。又根据统计,自1950年到1968年,为了生产肥料，每年所固定的氮量约增加5倍,这必然会影响大气中氮的含量。

氧和二氧化碳大气中氧和二氧化碳也受到人畜繁殖和人类活动的影响。例如人畜的增多，必增加大气中的二氧化碳而减少大气中的氧。人类砍伐林木必将减弱全球光合作用的过程，从而减少大气中的氧含量，而燃烧和工业活动又有消耗大气中的氧并增加大气中二氧化碳的作用。此外，人类的工业活动还增加了大气中一些前所未有的污染物，它们也影响了大气的组分。

地球大气演化新说美国科罗拉多大学研究人员发现，早期地球的大气层中氢含量很高，而其流失速度却远低于现在。这一成果改变了人们对地球大气演化的传统观点，也可能修改地球生命诞生的学说。

多年以来科学界一直认为，地球在46亿年前诞生。此后很长时间，地球大气成分都是以二氧化碳、甲烷为主，而氢的含量很少，就如同火星或金星的大气。3而科罗拉多大学的研究成果显示，早期地球大气中氢的浓度可能高达40%，氢流失的速度也相当于现在的百分之一。

相关论文当天发表在美国《科学》杂志网络版上。研究人员在论文中解释道，地球大气中最早的氢是由火山喷发带来的，其流失的速度和大气层最外围逃逸层的温度有关。逃逸层温度越高，氢流失得越多。传统学说认为早期地球大气逃逸层的温度在800摄氏度以上，而田丰等人考虑到大气层中不同成分对太阳辐射热的吸收，认为这一温度可能只有300摄氏度左右。因此，大气中氢的逃逸速度远远低于传统估计。

参与此项研究的科罗拉多大学教授欧文·图恩说，地球上生命的诞生离不开氢，如果按照传统学说，早期地球大气层中的氢流失很快，不足以产生生命最早的有机成分———氨基酸，所以科学家们多年来一直在思考地球上氢的来源，比如火山喷发、海底气孔喷发、甚至彗星等。而按照新的研究成果，地球自身产生的氢就足以弥补流失到宇宙中的部分，维持大气中的高浓度氢。3