大氣演化

地球大氣的成分和結構從地球原始大氣起， 經歷一系列長期複雜變化而演變的過程。主要經歷了三個階段：原始大氣階段、次生大氣階段和現生大氣階段。

基本介紹

• 中文名：大氣演化
• 外文名：evolution of atmosphere
• 對象：地球大氣的成分和結構
• 起始：地球原始大氣

背景

原始大氣出現於距今約46億年年以前，比人類出現的時間約早三個量級（人類出現距今數百萬年），比人類最初出現文字記載的時間約早六個量級（文字出現距今數千年）。

所以人類無法獲得各階段的大氣樣本，只好依靠所發現的地層徵跡和太陽系各行星上大氣的資料，結合自然演化規律以及物理學、化學、生物學的理論和實驗等，用模擬方法或邏輯推理進行研究。但所得的資料仍十分零星，而且地球大氣的演化史，前同星系、太陽系、行量起源相銜接，後同人類對大氣的影響相聯繫，本身又和地球的地質發展史、生命發展史等密切相關，加上研究其演變所牽涉到的學科很多，除大氣科學本身外，和天文學、地質學、生物學、物理學、化學等，都有密切關係，所以要把一鱗半爪的資料串聯為在地區上能橫向調諧、在時間上能縱向連貫，在各學科研究結果間又能互相補充、互相印證，基本上符合自然發展規律，能科學地說明現在大氣成分和結構機理的地球大氣演化史，是十分困難的。

一些學者提出了地球大氣的多種演變模式，這些模式往往由於研究者的主要專業的局限，作資料處理時所強調的方面不同，在許多細節上，難以統一認識，但模式的輪廓仍有其共同性，與細節相比，還是具有一定穩定性的。

過程

原始大氣階段

原始大氣的形成與星系的形成密切有關。大約在50億年前，大氣伴隨著地球的誕生就神秘地“出世”了。也就是拉普拉斯所說的星雲開始凝聚時，地球周圍就已經包圍了大量的氣體了。原始大氣的主要成分是氫和氦。當地球形成以後，由於地球內部放射性物質的衰變，進而引起能量的轉換。這種轉換對於地球大氣的維持和消亡都是有作用的，再加上太陽風的強烈作用和地球剛形成時的引力較小，使得原始大氣很快就消失掉了。

次生大氣階段

地球生成以後，由於溫度的下降，地球表面發生冷凝現象，而地球內部的高溫又促使火山頻繁活動，火山爆發時所形成的揮發氣體，就逐漸代替了原始大氣，而成為次生大氣。次生大氣的主要成分是二氧化碳、甲烷、氮、硫化氫和氨等一些分子量比較重的氣體。這些氣體和地球的固體物質之間，互相吸引，互相依存。氣體沒有被地球偌大的離心力所拋棄，而成為大氣的第二次生命棗次生大氣。

現生大氣階段

隨著太陽輻射向地球表面的縱深發展，光波比較短的紫外線強烈的光合作用，使地球上的次生大氣中生成了氧，而且氧的數量不斷地增加。有了氧，就為地球上生命的出現提供了極為有利的“溫床”。經過幾十億萬年的分解、同化和演變，生命終於在地球這個襁褓中誕生了。原始的單細胞生命，在大氣所紡織成的“搖藍”中，不斷地演變、進化，終於發展成了今天主宰世界文明的高級人類。今天的大氣也在這個過程中，獲得了如此一個“美滿的家庭”。

今天的大氣雖然是由多種氣體組成的混合物，但主要成分是氮，其次是氧，另外還有一些其它的氣體，但數量則極其微小的。今天的大氣之所以形成這種情況，是由於地球長期演化的結果。

大氣成分的演化

關於今天的大氣成分為什麼是這樣？它們是怎樣長期演化來的，目前主要有兩種看法。

一種看法認為今天的大氣就是從地球原始大氣演化而來的。另一種看法則認為，原始大氣已經不存在了，現在的大氣是由於地球內部火山活動所噴發出的物質演化成的。為了分析說明這個問題，我們可以和地球的左鄰右舍(金星和火星)進行一下對比。

根據探測資料，金星的大氣成分主要是碳酸氣，它的下部主要是二氧化碳，另外還有少量的氧、氮、碳、氖、氦、水汽，上部有原子狀態的氧。火星的大氣成分主要是二氧化碳，另外還有些氨(NH)、氫、氧、水汽等物質。

假如地球原始大氣也是以碳酸氣為主的話，那么為什麼和今天以氮和氧為主的成分不一樣？假如地球大氣主要是火山噴發出來的，根據現在火山噴發的資料來看，火山噴發物質中主要是水汽，占81%，二氧化碳占10%，另外還有氮、硫等等，但沒有游離狀態的氧。由此，可見，無論是從原始大氣來看，還是從火山噴發氣體中的這些成分都很少。而且大氣中自從有了自由氧，才可能有臭氧的形成。有了氧，原始大氣中的一氧化碳，經過氧化成為二氧化碳，甲烷經氧化成為水汽和二氧化碳，氨經氧化成為水汽和氮，因而二氧化碳才占優勢。

二氧化碳在初始大氣中占的分量很大，但是由於光合作用的發展，碳大量的被用來構成生物體，另外一部分碳溶解于海洋，成為海洋生物發展的一種物質。當大氣中的二氧化碳較多時，溶解到海水體中的二氧化碳就相對增多。現在有一種看法認為，由於化石燃料的燃燒，二氧化碳的濃度在增大。但在二氧化碳濃度增大的同時，自然界生態平衡的結果也不可能使二氧化碳的濃度過分地增大，一定有一部分要溶解到水體中去。

再一個成分就是氮。現在大氣中的主要成分是氮，但從原始大氣中或火山噴發氣中來看，氮的成分是很少的，只有百分之幾。而現在氮的增多，主要有兩個原因，一是氮的化學性質很不活躍，不太容易同其他物質化合，多呈游離狀態存在；另一方面，氮在水中的溶解度很低，氮的溶解度僅相當於二氧化碳的七分之一，所以它大多以游離狀態存在於大氣中，由於二氧化碳的減少，初始水汽又大部分變成液態水，成為今天的水圈，相對來說，氮和氧的比例就增多了，所以今天氮有這么多，是和氮本身的特性有關的。當然，氮也進行著循環，一些根瘤菌可以吸收氮，使得一部分氮參加到生物循環里去，這些物質在腐爛分解後，又放出遊離的氮；也有一小部分氮進入到地殼的硝酸鹽中。氮雖參加循環，但大部分呈游離狀態存在，相對來說，它的數量在增多，以致成為大氣的主要成分。

由此我們可以得出兩點結論：第一，現在的大氣成分是地球長期演化的結果，是和水圈、生物圈、岩石圈進行充分的物質循環的結果。可以說，這幾個圈層是相互聯繫，互相滲透的一個整體。第二，現在的大氣成分還在不斷的進行著循環過程之中，而且這個過程基本是平衡的，穩定的，在短時期內不是會有明顯變化的。

氮和氬的形成

正如現在大氣中的二氧化碳，最初有一部分是由次生大氣中的甲烷和氧起化學作用而產生的一樣，現在大氣中的氮，最初有一部分是由次生大氣中的氨和氧起化學作用而產生。火山噴發的氣體中，也可能包含一部分氮。在動植物繁茂後，動植物排泄物和腐爛遺體能直接分解或間接地通過細菌分解為氣體氮。氧雖是一種活潑的元素，但是氮是一種惰性氣體，所以在常溫下它們不易化合。這就是為什麼氮能積集成大氣中含量最多的成分，且能與次多成分氧相互並存於大氣中的原因。至於現在大氣中含量占第三位的氬，則是地殼中放射性鉀衰變的副產品。

氧和二氧化碳的形成和變化

在綠色植物尚未出現於地球上以前，高空尚無臭氧層存在，太陽遠紫外輻射能穿透上層大氣到達低空，把水汽分解為氫、氧兩種元素。

當一部分氫逸出大氣後，多餘的氧就留存在大氣中。在此過程中，因太陽遠紫外線會破壞生命，所以地面上就不能存在生命。初生的生命僅能存在於遠紫外輻射到達不了的深水中，利用局地金屬氧化物中的氧維持生活，以後出現了氧介酶(Oxygen-mediating enzymes)，它可隨生命移動而供應生命以氧，使生命能轉移到淺水中活動，並在那裡利用已被淺水過濾掉有害的紫外輻射的日光和溶入水中的二氧化碳來進行光合作用以增長軀體，從而發展了有葉綠體的綠色植物。於是光合作用結合水汽的光解作用使大氣中的氧增加起來。大氣中氧的組分較多時，在高空就可能形成臭氧層。這是氧分子與其受紫外輻射光解出的氧原子相結合而成的(見大氣臭氧層)。

臭氧層一旦形成，就會吸收有害於生命的紫外輻射，低空水汽光解成氧的過程也不再進行。於是在低空，綠色植物的光合作用成為大氣中氧形成的最重要原因。這時生命物因受到了臭氧層的屏護，不再受遠紫外輻射的侵襲，且能得到氧的充分供應，就能脫離水域而登入活動。總之，植物的出現和發展使大氣中氧出現並逐漸增多起來，動物的出現借呼吸作用使大氣中的氧和二氧化碳的比例得到調節。

此外，大氣中的二氧化碳還通過地球的固相和液相成分同氣相成分間的平衡過程來調節。 一般在現在大氣發展的前期，地球溫度尚高時，水汽和二氧化碳往往從固相岩石中被釋放到大氣中，使大氣中水汽和二氧化碳增多。另外大氣中甲烷和氧化合時，也能放出二氧化碳。但當現在大氣發展的後期，地球溫度降低，大氣中的二氧化碳和水汽就可能結合到岩石中去。這種使很大一部分二氧化碳被錮禁到岩石中去的過程，是現在大氣形成後期大氣中二氧化碳含量減少的原因。再則，一般溫度愈低，水中溶解的二氧化碳量就愈多，這又是現在大氣形成後期二氧化碳含量比前期大為減少的原因之一。因為現在大氣的溫度比早期為低。 大氣中氧含量逐漸增加是還原大氣演變為現在大氣的重要標誌。

一般認為，在太古代晚期，尚屬次生大氣存在的階段，已有厭氧性菌類和低等的藍藻生存。約在太古代晚期到元古代前期，大氣中氧含量已漸由現在大氣氧含量的萬分之一增為千分之一。地球上各種藻類繁多，它們在光合作用過程中可以製造氧。在距今約 6億年前的元古代晚期到古生代初的初寒武紀，氧含量達現在大氣氧的百分之一左右，這時高空大氣形成的臭氧層，足以禁止太陽的紫外輻射而使淺水生物得以生存，在有充分二氧化碳供它們進行光合作用的條件下，浮游植物很快發展，多細胞生物也有發展。大體到古生代中期(距今約4億多年前)的後志留紀或早泥盆紀，大氣氧已增為現在的十分之一左右，植物和動物進入陸地，氣候濕熱，一些造煤樹木生長旺盛，在光合作用下，大氣中的氧含量急增。到了古生代後期的石炭紀和二疊紀(分別距今約3億和2.5億年前)，大氣氧含量竟達現有大氣氧含量的3倍，這促使動物大發展，為中生代初的三疊紀(距今約 2億年前)的哺乳動物的出現提供了條件。由於大氣氧的不斷增多，到中生代中期的侏羅紀(距今約1.5億年前)，就有巨大爬行動物如恐龍之屬的出現，需氧量多的鳥類也出現了。但因植物不加控制地發展，使光合作用加強，大量消耗大氣中的二氧化碳。這種消耗雖可由植物和動物發展後的呼吸作用產生的二氧化碳來補償，但補償量是不足的，結果大氣中二氧化碳就減少了。二氧化碳的減少必導致大氣保溫能力減弱、降低了溫度(見溫室效應)，使大氣中大量水分凝降，改變了天空陰霾多雲的狀況。

因此，中緯度地帶四季遂趨分明。降溫又會使結合到岩石中和溶解到水中的二氧化碳量增多，這又進一步減少空氣中二氧化碳的含量，從而使大氣中充滿更多的陽光，有利於現代的被子植物(顯花植物)的出現和發展。 由於光合作用的原料二氧化碳減少了，植物釋出的氧就不敷巨大爬行類恐龍呼吸之用，再加上一些尚有爭議的原因(例如近來有不少人認為恐龍等的絕滅是由於星體與地球相碰發生突變所致)，使恐龍之類的大爬行動物在白堊紀後期很快絕滅，但能夠適應新的氣候條件的哺乳動物卻得到發展。這時已到了新生代，大氣的成分已基本上和現在大氣相近了。可見從次生大氣演變為現在大氣，氧含量有先增後減的跡象，其中在古生代末到中生代中期氧含量為最多。

人類活動對大氣成分的影響

地球自形成到現代，經歷了原始大氣、次生大氣和現在大氣三個階段。但現在大氣的成分,也不是永不再變的,它將隨著今後自然條件的變化及人類活動的影響而發生變化。

氮

例如自然界的氮在一定時期內近似地保持平衡。但是人畜的大量繁殖，使大氣中自由氮轉變為固定態氮的量不斷增加。又根據統計,自1950年到1968年,為了生產肥料，每年所固定的氮量約增加5倍,這必然會影響大氣中氮的含量。

氧和二氧化碳

大氣中氧和二氧化碳也受到人畜繁殖和人類活動的影響。例如人畜的增多，必增加大氣中的二氧化碳而減少大氣中的氧。人類砍伐林木必將減弱全球光合作用的過程，從而減少大氣中的氧含量，而燃燒和工業活動又有消耗大氣中的氧並增加大氣中二氧化碳的作用。此外，人類的工業活動還增加了大氣中一些前所未有的污染物，它們也影響了大氣的組分。

地球大氣演化新說

美國科羅拉多大學研究人員發現，早期地球的大氣層中氫含量很高，而其流失速度卻遠低於現在。這一成果改變了人們對地球大氣演化的傳統觀點，也可能修改地球生命誕生的學說。

多年以來科學界一直認為，地球在46億年前誕生。此後很長時間，地球大氣成分都是以二氧化碳、甲烷為主，而氫的含量很少，就如同火星或金星的大氣。而科羅拉多大學的研究成果顯示，早期地球大氣中氫的濃度可能高達40%，氫流失的速度也相當於現在的百分之一。

相關論文當天發表在美國《科學》雜誌網路版上。研究人員在論文中解釋道，地球大氣中最早的氫是由火山噴髮帶來的，其流失的速度和大氣層最外圍逃逸層的溫度有關。逃逸層溫度越高，氫流失得越多。傳統學說認為早期地球大氣逃逸層的溫度在800攝氏度以上，而田豐等人考慮到大氣層中不同成分對太陽輻射熱的吸收，認為這一溫度可能只有300攝氏度左右。因此，大氣中氫的逃逸速度遠遠低於傳統估計。

參與此項研究的科羅拉多大學教授歐文·圖恩說，地球上生命的誕生離不開氫，如果按照傳統學說，早期地球大氣層中的氫流失很快，不足以產生生命最早的有機成分———胺基酸，所以科學家們多年來一直在思考地球上氫的來源，比如火山噴發、海底氣孔噴發、甚至彗星等。而按照新的研究成果，地球自身產生的氫就足以彌補流失到宇宙中的部分，維持大氣中的高濃度氫。