地球上為什么會(huì)有大氣層？地球上的大氣層是怎么形成的？

出品：科普中國(guó)

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作者：談天說(shuō)地

人類賴以生存的大氣，是圍繞著整個(gè)地球的一個(gè)巨大的氣體圈層，稱為大氣圈。大氣在沒有污染的情況下是透明、無(wú)色、無(wú)味、無(wú)臭的。這層大氣由許多種氣體組成，其中所包含的氧氣對(duì)于人類的生存最為重要。

這層大氣處在不停的運(yùn)動(dòng)這中，我們所感到的風(fēng)就是空氣運(yùn)動(dòng)的表征。這層空氣可以傳遞聲波，幫助人類進(jìn)行語(yǔ)言交流。這層大氣的存在，還可以阻止有害于人類健康的輻射線進(jìn)入人類居住的環(huán)境，保護(hù)人類的正常生活和世代繁衍?？傊?，這層大氣對(duì)于人類和社會(huì)的進(jìn)步是太重要了。

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

大氣還以它變幻莫測(cè)的魅力吸引著人們。很早以前，人們就對(duì)這令人撲朔迷離的大氣世界，產(chǎn)生了極大的興趣。特別對(duì)于它的“身世”是最關(guān)心的了。大氣是怎樣誕生的？原始大氣是什么樣子？是否與今天的大氣一樣？這一系列的問(wèn)題，一直爭(zhēng)論至今。

人們都承認(rèn)，地球大氣是伴隨著地球的形成過(guò)程，經(jīng)過(guò)了億萬(wàn)年的不斷“吐故納新”，才演變成今天的這個(gè)樣子。但它是怎樣演變的呢？

一般認(rèn)為，地球大氣的演變過(guò)程可以分為三個(gè)階。

原始大氣階段

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(shuō)的星云開始凝聚時(shí)，地球周圍就已經(jīng)包圍了大量的氣體了。原始大氣的主要成分是氫和氦。當(dāng)?shù)厍蛐纬梢院螅捎诘厍騼?nèi)部放射性物質(zhì)的衰變，進(jìn)而引起能量的轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換對(duì)于地球大氣的維持和消亡都是有作用的，再加上太陽(yáng)風(fēng)的強(qiáng)烈作用和地球剛形成時(shí)的引力較小，使得原始大氣很快就消失掉了。

次生大氣階段

地球生成以后，由于溫度的下降，地球表面發(fā)生冷凝現(xiàn)象，而地球內(nèi)部的高溫又促使火山頻繁活動(dòng)，火山爆發(fā)時(shí)所形成的揮發(fā)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(zhì)之間，互相吸引，互相依存。

今日大氣階段

隨著太陽(yáng)輻射向地球表面的縱深發(fā)展，光波比較短的紫外線強(qiáng)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(shù)量不斷地增加。有了氧，就為地球上生命的出現(xiàn)提供了極為有利的“溫床”。經(jīng)過(guò)幾十億萬(wàn)年的分解、同化和演變，生命終于在地球這個(gè)襁褓中誕生了。原始的單細(xì)胞生命，在大氣所紡織成的“搖藍(lán)”中，不斷地演變、進(jìn)化，終于發(fā)展成了今天主宰世界文明的高級(jí)人類。今天的大氣也在這個(gè)過(guò)程中，獲得了如此一個(gè)“美滿的家庭”。

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

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(shù)量則極其微小的。今天的大氣之所以形成這種情況，是由于地球長(zhǎng)期演化的結(jié)果。

今天的大氣成分是如何形成的？

關(guān)于今天的大氣成分為什么是這樣？它們是怎樣長(zhǎng)期演化來(lái)的，目前主要有兩種看法。

一種看法認(rèn)為今天的大氣就是從地球原始大氣演化而來(lái)的。另一種看法則認(rèn)為，原始大氣已經(jīng)不存在了，現(xiàn)在的大氣是由于地球內(nèi)部火山活動(dòng)所噴發(fā)出的物質(zhì)演化成的。為了分析說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，我們可以和地球的左鄰右舍（金星和火星）進(jìn)行一下對(duì)比。根據(jù)探測(cè)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(tài)的氧。火星的大氣成分主要是二氧化碳，另外還有些氨、氫、氧、水汽等物質(zhì)。那么是不是以前的大氣也是這樣的呢？作為一個(gè)問(wèn)題可以這樣考慮。

假如地球原始大氣也是以碳酸氣為主的話，那么為什么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(fā)出來(lái)的，根據(jù)現(xiàn)在火山噴發(fā)的資料來(lái)看，火山噴發(fā)物質(zhì)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(tài)的氧。由此，可見，無(wú)論是從原始大氣來(lái)看，還是從火山噴發(fā)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(jīng)過(guò)氧化成為二氧化碳，甲烷經(jīng)氧化成為水汽和二氧化碳，氨經(jīng)氧化成為水汽和氮，因而二氧化碳才占優(yōu)勢(shì)。

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

二氧化碳在初始大氣中占的分量很大，但是由于光合作用的發(fā)展，碳大量的被用來(lái)構(gòu)成生物體，另外一部分碳溶解于海洋，成為海洋生物發(fā)展的一種物質(zhì)。當(dāng)大氣中的二氧化碳較多時(shí)，溶解到海水體中的二氧化碳就相對(duì)增多?，F(xiàn)在有一種看法認(rèn)為，由于化石燃料的燃燒，二氧化碳的濃度在增大。但在二氧化碳濃度增大的同時(shí)，自然界生態(tài)平衡的結(jié)果也不可能使二氧化碳的濃度過(guò)分地增大，一定有一部分要溶解到水體中去。

再一個(gè)成分就是氮?，F(xiàn)在大氣中的主要成分是氮，但從原始大氣中或火山噴發(fā)氣中來(lái)看，氮的成分是很少的，只有百分之幾。而現(xiàn)在氮的增多，主要有兩個(gè)原因，一是氮的化學(xué)性質(zhì)很不活躍，不太容易同其他物質(zhì)化合，多呈游離狀態(tài)存在；另一方面，氮在水中的溶解度很低，氮的溶解度僅相當(dāng)于二氧化碳的七分之一，所以它大多以游離狀態(tài)存在于大氣中，由于二氧化碳的減少，初始水汽又大部分變成液態(tài)水，成為今天的水圈，相對(duì)來(lái)說(shuō)，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(guān)的。

當(dāng)然，氮也進(jìn)行著循環(huán)，一些根瘤菌可以吸收氮，使得一部分氮參加到生物循環(huán)里去，這些物質(zhì)在腐爛分解后，又放出游離的氮；也有一小部分氮進(jìn)入到地殼的硝酸鹽中。氮雖參加循環(huán)，但大部分呈游離狀態(tài)存在，相對(duì)來(lái)說(shuō)，它的數(shù)量在增多，以致成為大氣的主要成分。

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由此我們可以得出兩點(diǎn)結(jié)論：第一，現(xiàn)在的大氣成分是地球長(zhǎng)期演化的結(jié)果，是和水圈、生物圈、巖石圈進(jìn)行充分的物質(zhì)循環(huán)的結(jié)果。可以說(shuō)，這幾個(gè)圈層是相互聯(lián)系，互相滲透的一個(gè)整體。第二，現(xiàn)在的大氣成分還在不斷的進(jìn)行著循環(huán)過(guò)程之中，而且這個(gè)過(guò)程基本是平衡的，穩(wěn)定的，在短時(shí)期內(nèi)不是會(huì)有明顯變化的。

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