下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
最早的大气来自于火山喷发的气体，它的成分也和目前火山喷发的物质相同。也有人认为地球最早的大气应该是太阳星云团中的那些气体物质，主要应该是氢气和氦气，但是那个时候，一层明显的大气圈层还没有构成，那些气体物质也起不到保护地球、调节环境的作用，所以我们还是把大气层的制造归功于火山喷发。由于当时的地球已经有了足够的质量，更是由于月球的“加入”，使地球自转变慢，引力增强，并且地核产生的强大的磁场屏蔽了太阳风的作用，才使得火山喷发出来的这些原始大气得以保存，形成了最早的大气圈层。
如果我们针对地球大气层的主要成分进行研究的话，那可以说它们发生了三次的“改头换面”。
星子的碰撞构成了最初的地球球体。在地球球体形成的过程中，不仅仅是固态的星子，也会有大量的气体被吸引汇聚在地球周围，形成了以太阳系星云团物质为主的原始大气，其主要成分是氢和氦。这层大气很快就被太阳风给吹散了。
小天体撞击地球形成火山喷发，喷发出的气体形成了第二次的原始大气。这时的大气以火山气体为主，它应该是熔合在地球内部的星子中的气体成分，在发生高温熔解时被分解出来。小天体的撞击击碎了刚刚形成的很薄的地壳，使它们得以释放到地球周围的空间，并被地球引力吸引形成大气层，其主要成分是氮气、甲烷、氨和水汽等。
前面的两次大气的改头换面，对于类地行星来说差异不大。第三次形成的大气就是我们现在的大气层了，它所发生的变化就显得有趣和曲折多了，而且地球和其他类地行星相比，有着显著的不同。而就是这些不同创造了人类、创造了生命。
发生于40亿年前的小天体撞击产生了地球的原始大气，而那一时期的撞击并不只是针对地球的，火星、金星、月球都被撞击形成火山喷发，也形成了它们各自的大气。月球因为质量和体积都太小，无法吸引大气存留，所以至今还是没有大气层。而火星和金星最早形成的大气，由于都来源于火山喷发，所以起初的大气成分，三者是基本相同的（见表2.1）。那么，是什么因素造成了目前三者之间的巨大差异呢？对这一问题的清楚的认识，很有助于我们对地球、地球大气演变的深入了解。
表2.1 三颗主要类地行星大气层状况简表
从表2.1中可以看到，金星和火星的大气成分基本相同，只是质量的差异很大（从表面压强可以读出，见图2.1），或者说在最早期的大气形成之后，金星和火星各自大气的成分构成就很少再发生变化。而地球的大气则和它们有着根本的差异。我们明白，就是这种差异使得地球给了我们生命，最主要的就是我们下一段要讨论的，地球大气中发生的二氧化碳和氧气之间的循环。我们还是先来讨论金星、火星、地球在各自拥有了一样的初始大气之后，又走了什么样的不同的演变道路才造成了现在巨大的差异吧。
◎图2.1 厚重的金星大气（左）使我们根本看不到它的本来面目；而火星（右）稀少的大气层甚至都无法造成地球大气所具有的“晨昏现象”
金星无论是从其质量和体积上来看，都堪称是地球的姐妹星。但金星的大气构成并没有发生太剧烈的演变，基本上保留了火山喷发时的气体成分。探测结果表明，金星的大气层存在富含硫元素的气层，在金星的大气中我们找到了许多地球上火山喷发所常有的气体，但是，它们都是极易被分解的，所以金星上应该一直有火山在喷发，这一点目前已经得到了证实。金星大气与地球大气相比，最大的区别就是二氧化碳的存留和大气中水（汽）的变化。地球大气的二氧化碳含量极少，是因为二氧化碳基本上都被“保存”在植物和岩石之中了，最重要的是海洋板块“沉入”地幔会带走很多的二氧化碳。地球上水的保留则得益于海洋和水循环的存在。这些在金星和火星上都是不具备的。金星的球体形成之后，球壳就是基本完整的，没有地球上的板块运动（消亡），所以它一直保留着很多的二氧化碳气体。至于金星上为什么没有水，主要是由于它离太阳太近，水都被蒸发、分解了。
早期剧烈的火山活动同样造就了富含二氧化碳、氮气、水蒸气的火星大气。那时火星的温度与地球的温度相差不多。但是，火星大气中的二氧化碳的寿命很短，降雨逐渐溶解了它们。含二氧化碳的水与地面岩层反应，把二氧化碳以碳酸盐的形式固化于火星壳内（见图2.2）。遗憾的是火星无板块结构，不能将火星壳转化为火星幔，二氧化碳无法借岩浆喷发重新返回大气。据计算，1atm的二氧化碳最多经1000万年到1亿年就会被水冲刷干净。尽管早期火山活动可能会延长这一过程，但由于火星的逐渐冷却，火山停止喷发，最终这些水还是自己导致了自己的消失。此后，火星大气中的氮气、水蒸气逐渐被太阳辐射中的紫外线分解，火星大气变得越来越稀薄。现在火星表面的气压仅为地球的1％左右，其中主要的二氧化碳成分，应该是早期火山喷发的残留。
◎图2.2 地球和火星大气演变的简单示意图。上图为地球，大气层、海洋、陆地（植被）构成了一个有效的二氧化碳与氧气的循环，这样的地球大气是有生命的、活动的。下图为火星，火星的质量小，相对分子质量小的气体多数逃逸了，也由于没有板块作用，使得二氧化碳、氧气、水之间不能产生有效的循环
幸运的是，合适的日地距离，板块运动，适当的体积和质量，这些，我们的地球都具备，这才产生了能够启蒙生命的重要的大气演变。这其中最重要的就是地球大气的几次二氧化碳和氧气之间的“你争我夺”。
提到澳大利亚你可能就会想到“大堡礁”的地质奇观。实际上，在澳大利亚一个叫“鲨鱼湾”的地方，有着不仅是地质奇观，也是生物学、地球学奇观的存在——叠层石。而和澳大利亚相邻的新西兰，则现存有许多的火山岩溶水池，那里生活着让全世界科学家都震惊的生物（见图2.3）。
◎图2.3 澳大利亚鲨鱼湾成片的“叠层石”（左）和新西兰的火山湖（右）
在太阳风吹散了地球的原始大气之后，火山爆发形成的大气称为次生大气。次生大气中没有氧，主要以甲烷、氢和二氧化碳为主，还有一定量的氨和水汽。这是因为地壳调整刚开始时，地表存在很多金属铁，氧很易和金属铁化合因而不能在大气中留存，因此次生大气属于缺氧性还原大气。而使科学家，尤其是生物学家震惊的就是在新西兰、冰岛、夏威夷等地的火山湖中生存着许多不靠氧气，而是依靠甲烷、硫化氢等存活的细菌。
次生大气形成时，水汽大量排入大气，当时地表温度较高，大气不稳定，对流的发展很迅猛，强烈的对流使水汽上升凝结，风雨闪电频繁发生，地表出现了江河湖海等水体。就是在海底的火山口附近（俗称黑烟囱），我们也发现了厌氧性菌类和低等的蓝藻生存。
次生大气笼罩地表的时期大体在距今45亿年前到20亿年前之间。一般认为地球上的细菌和藻类最早出现在35亿年前。
由次生大气转化为现在的大气，叠层石可谓是功不可没。据考察，在距今25亿年左右，地球上到处都是这种单细胞生物，它们吸收阳光，进行光合作用，为我们的星球制造了大量的氧气（它们统治地球长达10亿年）。
约在太古代晚期到元古代前期，大气中的氧含量已逐渐由现在大气氧含量的万分之一增为千分之一。那时的地球盘古大陆刚刚分裂，形成了几个小的陆地，这就使得陆地的海岸线增加了很多。这样一方面导致了生物在岸边的活动增加，光合作用的加强导致大量二氧化碳被吸收；另一方面增加了大陆的硅酸岩风化，也吸收了不少二氧化碳。这两个结果导致大气中的二氧化碳迅速减少，“温室”变为“冰室”，地球表面产生了巨大的冰雪覆盖，进而产生了失控的反照率事件，而最终形成了地球的“雪球期”。
据推算，当时的冰盖有1000m厚，推进到了赤道附近，地球温度下降到-50℃左右。因为被冰雪埋藏，光合作用和大陆的硅酸岩风化作用都被终止，但是地球的火山活动还在继续，向外释放了大量的二氧化碳。经过长达1000万年的积累，这些二氧化碳终于足够强大，形成“温室效应”，从而迅速融化了“雪球地球”。
海洋和陆地又重新活跃起来，地球上各种藻类快速地繁殖，它们在光合作用过程中制造了更多的氧。在距今约6亿年前的元古代晚期到古生代初期的初寒武纪，氧含量达到了现在大气氧含量的1％左右。这样的氧含量已经足可以在高空大气中形成臭氧层，屏蔽太阳的紫外辐射而使浅水生物得以更适宜的生存。由于当时的大气有充足的二氧化碳供它们进行光合作用，浮游植物很快发展，多细胞生物也有了发展。大体到了古生代中期（距今约4亿多年前），大气中的氧已增为现在的1/10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3亿年前和2.5亿年前），大气氧含量竟达到了现有大气氧含量的3倍，这促使动物大发展，为中生代初期的三叠纪（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），就有了巨型爬行动物如恐龙之类的出现，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，结果大气中的二氧化碳又一次减少了。二氧化碳的减少导致大气保温能力减弱、降低了温度，使大气中大量水汽凝结，改变了天空阴霾多云的状况。因此，中纬度地带四季越来越分明。降温又使结合到岩石中和溶解到水中的二氧化碳量增多，这又进一步减少了空气中二氧化碳的含量。但是，这一次地球没有再次出现“雪球期”。天文学方面的原因是太阳的辐射量从它诞生以来增加了30％；就地球本身而言，地质、地理以及生物的多样性也大大地增强了地球的活动能力，比如在海洋中存在的洋流和大气层中存在的大气环流就起到了活跃地球大环境的重要的作用。
无论怎样，我们通过大气的演变可以看到，大气的成分由最初的二氧化碳居多转化到氧气占优，制造了地球的臭氧层，再由氧气居多转化到二氧化碳居多，制造了地球的温室效应，使得地球上的生物大量繁殖，生态系统得以建立、健全。多年之后，大气逐渐地过渡到现有的成分，是那么的恰到好处！
第一次学习大气的成分时，我的大脑中就产生了一个问题——既然氧气是人类呼吸的需要，那大气都由氧气组成不是很好吗？
正常的空气（大气）成分按体积计算（见图2.4）如下：氮（N 2 ）约占78％，氧（O 2 ）约占21％，稀有气体约占0.94％（氦He、氖Ne、氩Ar、氪Kr、氙Xe、氡Rn），二氧化碳（CO 2 ）约占0.03％，还有其他气体和杂质约占0.03％，如臭氧（O 3 ）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO 2 ）、水蒸气（H 2 O）等。
◎图2.4 大气也就是空气的主要成分按体积计算的比例。氮气、氧气、二氧化碳甚至含量微小的稀有气体的存在都是各司其职的
先说氮气吧，因为它能回答我从小就留下的疑问。在天气干燥的夏天，气温很高，假如这时突发山火，如果大气中氧气的成分很大，而不是氮气这种稳定的、不易燃烧的气体占了主要成分，那么这场山火可能就会毁灭地球……说到氧气，似乎我们对它是很熟悉的，因为没有氧气就无法呼吸，人类也就不能生存。氧气和氢气结合构成了我们生命的另一个要素——水；三个氧原子的结合构成了抵抗宇宙射线的臭氧层；氧气还可以和碳元素结合构成二氧化碳等温室气体为地球保温……最近的研究还表明，大气中氧气含量的变化不仅仅会影响到地球生物群体的繁荣和衰败，还会影响到地球的气候，比如光照和降水量等。
大气中氮气占了78％，确实很多，为什么是这样的呢？有人就说因为它“没用”所以就留了下来。实际上，这种留下来是地球和地球上的生命演化的需要。因为从演化的角度来说，地球已经到了稳定的“中年期”，地球上的生命也处于不希望他们的生存环境发生剧烈变化的稳定发展期。所以，作为地球的保护层的大气就首先要稳定，而作为惰性气体的氮气就是很稳定的。
除去作为“稳定剂”，氮气还有着更重要的作用，那就是参与生命的循环。一些植物的根瘤菌可以吸收氮，生成含氮盐，再生成氨基酸、核酸，氨基酸是生命最重要的东西之一。这些物质在腐烂分解后，又放出游离的氮，使得一部分氮参加到生物循环里去；也有一小部分氮进入到地壳的硝酸盐中形成矿物质。
大气中氮的存留最多，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，仅相当于二氧化碳的1/7，所以它大多以游离状态存在于大气中。
再有一种含量比较高的气体就是二氧化碳，现在许多人把它当成了地球气候变暖的罪魁祸首，实际上有许多气体的温室效应比它强烈得多，比如甲烷气体。据考察，地球两极，尤其是北极的冻土带，如果融化的话会产生很多的甲烷气体，而它的温室效应是二氧化碳的27倍！
不仅仅是大气的成分会对我们产生很大的影响，就是大气所造成的环境变化也会极大地影响着我们。人体不同部位接受不同的气象要素的刺激，会影响我们的健康、思考、决断和工作。皮肤和黏膜主要接受气温、湿度、降水、大气酸度、太阳辐射、雾等的刺激；呼吸系统主要接受气温、湿度、风、气压、气溶胶、大气电离子及大气中一切化学物质的刺激；感觉器官，包括眼、鼻、耳可受到光线（如可见光、气压、雾、大气电、气味）等的刺激。可见大气对我们的生活、生存的重要性。
大气层给我们呼吸的氧气；供给植物光合作用的二氧化碳；稀释人类排放的有害气体；抵挡太阳带来的高能粒子和紫外线；阻挡陨石撞击地球；缓冲温度的变化；等等。