地球大气演化

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  地球大气演化汉语拼音:Diqiu Daqi Yanhua;英语:Evolution of the Earth's Atmosphere),现代地球大气是由原始大气经历一系列复杂漫长的变化才形成的。原始大气出现于距今约46亿年以前,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)。地球大气的演化经历了原始大气、次生大气和现在大气三个阶段。

原始大气

  原始大气的形成与太阳系的形成密切有关。原太阳系中弥漫着冷的固体微粒和气体,在原太阳系向中心收缩时,其周围绕行的固体微粒和气体,也分别在引力作用下凝聚成行星及其卫星。关于太阳及其行星、卫星是否同时形成尚有不同认识,但对地球形成于约在距今46亿年前,则认识比较一致。

  原地球作为太阳系中的原行星,是原太阳系中心体中运动的宇宙尘和气体借引力吸积而成的。随着“原地球”转变为“地球”,地表面渐冷凝为固体,原始大气也就同时包围地球表面。

  对于原始大气的组分有不同看法。据G.P.柯伊伯的意见,原始大气是原太阳星云中的气体,因进入地球引力范围而被地球俘获,其成分应与原太阳系中的气体成分和丰度基本一致。柯伊伯(1952)计算的地球最初的原始大气(见表)是一种以氢、氦为主体的大气,其中氢的质量约为全球固体部分镁、硅、铁、氧4种元素总质量的400倍。A.E.林伍德认为地球的固体部分主要由C1型碳质球粒陨石吸积而成,它富含二氧化硅、氧化亚铁、氧化镁、水汽、碳质(如碳和甲烷等),还含有硫和另一些金属氧化物。在地球吸积增大时,引力能转化为热能,使地球温度升高,当升温至1,000℃以上时,这类陨石的组分会产生自动还原变化,其中金属和硅的氧化物被还原为金属和硅,放出的氧则与碳化合成一氧化碳而脱离地壳进入大气。而甲烷在此温度下也会部分分解为碳和氢。碳又可起到还原金属氧化物的作用,形成氢和一氧化碳。此外,水汽在此温度下也能与碳化合,生成氢和一氧化碳,这就形成了以一氧化碳和氢为主的原始大气。林伍德认为原始大气中不存在甲烷和氨,因为它们的沸点分别为-161.5℃和-33.35℃,它们在温度远高于1,000℃的原始大气中早就分解掉了。

  对原始大气组分的上述两种看法虽然很不相同,但并非不能协调。因为即使是原始大气,其组分也是不断变化的。在地球形成之初,温度尚不很高,吸积的气体应符合柯伊伯提出的情况。当吸积较甚时,温度很快升高,此时林伍德提出的过程就会占优势了。

  原始大气在地球仅存在数千万年就流失了。流行的观点是地球重力场没有足够强度以阻止原始大气的轻元素逃逸至行星际空间;新近另一种解释已获得共识,当太阳星云中的气体趋近于地球并形成地球大气时,可通过不断增长着的地球与衰退的行星之间的碰撞而流失。例如巨大的火星也曾与衰退的行星出现碰撞,相应产生巨大的能量释放,并发射大量的行星物质,原始大气也随之流失。

次生大气

  碰撞生热机制除使当时大气中较轻气体向行星际空间逃逸外,还起到促使产生次生大气的两种作用:其一是使被吸积的C1型碳质球粒陨石中某些成分因升温而还原,使铁、镁、硅、铝等还原分离出来,由于它们的密度不等,造成了固体地球的重力不平衡结构,但由于它们都是固体,无法自动进行重力调整。其二是使地球内部升温而呈熔融状态。这一作用十分重要,因为它使原来不能作重力调整的不稳定固体结构熔融,此时可通过对流实现调整,发生重元素沉向地心、轻元素浮向地表的运动。此过程在整个地质时期均有发生,但在地球形成初期尤为盛行。在这种作用下,地球内部物质的位能转化为动能和分子运动动能。后者使地壳内的温度进一步升高,从而使熔融状态加强;前者使原已坚实的地壳发生遍及全球或局部的掀裂现象。这两者的结合导致地球造山运动和火山活动。在地球形成时被吸积并禁锢于地球内部的气体,通过造山运动和火山活动而排出地表,这种现象称为“排气”。地球形成初期遍及全球的排气过程,形成了次生大气。这时的次生大气成分和火山喷发的气体相近,主要是水汽(85%)和二氧化碳(10%),少量的二氧化硫、硫化氢和其他气体。

  次生大气形成时,水汽大量排入大气,当时地球表面温度较高,大气不稳定,对流发展强盛,使水汽上升冷却凝结,降至地表面形成海洋、江河、湖泊等水体。降水对二氧化碳从次生大气中移出也有贡献。雨滴通过富含二氧化碳的大气下落,有些二氧化碳溶于水滴中下落,把碳从大气中输送到海洋和大陆,又与大陆受雨水侵蚀的物质一起进入海洋,形成海底沉积物。次生大气中缺乏氧,这是因为地壳调整刚开始,地表金属铁尚多,氧很易和铁化合而不能在大气中留存,故次生大气属于缺氧性还原大气。次生大气包围地球表面的时期大致在距今45亿年前到20亿年前之间。

现在大气

  由次生大气转化为现在大气,同生命体的发展关系最为密切。20世纪60年代利用射电望远镜发现在星际空间存在有机大分子,并认为生命的根苗可能存在于星际空间。但最简单最早的生命体,仍应出现于还原大气中,这是因为在氧气充沛的大气中,最简单的生命体易于分解,难以发展。

  绿色植物尚未出现在地球上之前,太阳远紫外辐射可直达低空,把水汽分解成氢、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。因为太阳远紫外线会破坏生命,故当时地面上不存在生命。初生的生命仅能存在于远紫外线到达不了的海洋深层。地质考察的证据表明最早生命约在地球形成后的6亿~10亿年间出现。距今约34亿年前首先在海洋中出现无氧呼吸的原始菌类和低等的绿蓝藻,并逐渐演化出有叶绿素进行光合作用的藻类,继而演化成多细胞的生物。生物利用太阳能进行光合作用,吸收二氧化碳,放出氧气,吸收氨合成蛋白质。喜氧的光合作用出现在15亿年前。生物残体经微生物分解放出氮,致使次生大气逐渐演化为以氮、氧为主的氧化大气。约在距今20亿年前,大气中形成了臭氧层,阻挡了大部分的太阳紫外线,随之有大量海洋生物繁殖,并且逐渐登陆活动。喜氧呼吸开始出现于距今约6亿年前。绿色植物的出现及其光合作用和臭氧形成,为陆地生态的演化和吸入氧呼出二氧化碳的动物类型的演化奠定了基础,动物的出现借助呼吸作用使大气中的氧和二氧化碳的比例得以调节。总之生命创造了含氧大气,含氧大气又抚育着生命。

  在现在大气发展的前期,地球温度较高,水汽和二氧化碳往往从固相岩石中释放到大气中,使大气中的水汽和二氧化碳增多。在现在大气发展的后期,地球温度降低,大气中的水汽和二氧化碳就可能结合到岩石中去。首次碳酸盐沉积(储存)出现于17亿年前。这种使很大一部分二氧化碳被禁锢于岩石中的过程,是现代大气形成后期大气中二氧化碳含量减少的主要原因;同时,温度愈低,水中溶解的二氧化碳量就愈多,这也是后期二氧化碳含量比前期大为减少的另一原因。

  现在大气中的氮,最初有一部分是由次生大气中氨和氧起化学作用产生的。火山喷发的气体中,也可能含有一部分氮。在动植物繁茂后,动植物排泄物和残体腐烂能直接分解或间接地通过细菌分解为氮气。碳在大气中的减少,由氮在大气中的增加所平衡。氮是惰性气体,在常温下不易化合,故使得氮能积累成大气中含量最多的成分,且能与次多成分活泼元素氧并存于大气中。现在大气中含量占第三位的氩是地壳中放射性元素钾衰变的副产品。

  现在大气组分也并非永久不变,它将随着今后自然环境的变化及人类活动的影响而发生变化。例如人畜大量繁殖、肥料生产增长,使大气中自由氮转变为固定氮的量不断增加,这将影响大气中氮的含量;又如人类生产活动增强必将增加大气中的二氧化碳含量而减少大气中的氧含量;人类砍伐森林必将削弱光合作用,也使大气中的氧含量减少;人类生产、生活还增加了大气中一些前所未有的污染物,它们也明显影响大气的组分和结构。