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地球的大气层是如何演变的？

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文化
3年前
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由于自身引力的存在，对于大部分行星和卫星而言，它们都会有一个大气层，但在太阳系内，我们找不到一颗可以让我们自由呼吸的星球。

这些行星或者卫星的大气层要么十分稠密，要么十分稀薄，而且它们几乎都没有气态氧气的存在。

现在的地球大气层拥有21%的氧气和78%的氮气，而且不是特别稠密，无论是动物，还是植物都比较适合这样的大气成分和大气压。

那么为什么只有地球大气层拥有这样海量的氧气呢？或者说地球的大气层是如何演变的，它为什么和其它星球会如此不同呢？

地球上曾经的大气不像岩石那样容易留下证据，要重塑地球大气层的历史会更加的困难，不过一些证据可能提供参考，包括气体和地球岩石的相互作用，以及其它行星现有的气体情况。

捕获气体时期

现在科学界普遍认为，太阳系起源于太阳星云，它是由气体和尘埃组成的“散装材料”，其中最丰富的两种物质是氢和氦。

关于太阳星云最终变成太阳系的假设，现在已经有许多证据，其中包括猎户座星云 (M42)中心2.5光年区域内被观察到的700多颗年轻恒星，以及150 多个原行星盘——这些原行星盘很可能会诞生新的行星系统。

M42中的原行星盘，图源：ESA/Hubble

当地球从原行星盘中诞生并且变得足够大之后，它的引力可以吸引周围的物质，许多氢和氦会被收入囊中。

但即便如此，最原始地球的大气层并不是这两种气体组成的。

这是因为气体分子的运动速度与它的质量和温度有关系，而当时的太阳和地球都很热，所以这些气体分子很容易达到逃逸速度。

现在地球高层大气的温度在1000-2000摄氏度之间，考虑到在2000 K（大约1727℃）的温度下，分子量大于10的化合物分子的平均速度才小于11.2km / s（地球的逃逸速度），氢气和氦气的分子量分别是2和4，所以它们基本很难被留住。

现在主流的观点认为，最原始地球的挥发性物质主要是含氢化合物（氦是惰性气体不容易以化合物形式保留），比如甲烷、氨、水等，这些气体都在气态巨行星上大量存在的；另外包括一些分子量大于10惰性气体，比如氖等，这些地球现在依然存在的稀有气体。

早期太阳系，图源：NASA/JPL-Caltech

地球自己的排气

按照“原行星盘”的形成理论，太阳系早期拥有许多的“行星胚胎”，最原始地球只是其中之一，它继续在“吸积”和碰撞中不断成长变大。

一些科学家认为，现在的火星是唯一幸存下来的“行星胚胎”，因为相对于它的轨道，火星太小了。

月球的撞击假说，图源：NASA/JPL-Calte

“吸积”和碰撞会释放出巨大的能量，这让早期的地球变成了一个“岩浆海洋”，在被一颗被称为忒伊亚的原始行星撞击后，甚至整个星球进入熔融状态。

而太阳星云最初的挥发性物质的分子不仅以大气形式被捕获和流失，有一些还会覆盖在岩石材料的固体颗粒表面。

当这些固体在碰撞后熔融时，吸附在上面的气体就会挥发成为最初的大气层，地球形成后或者说太阳系趋于稳定后，地球的第一个大气层就是这些挥发性物质制造的。

早期地球，图源：SwRI/Simone Marchi

那么这会是一个什么样的大气层呢？

首先，“岩浆海洋”所释放的气体和现在火山喷发出来的气体是不一样的。

我们现在的火山喷发会喷发出二氧化碳和二氧化硫等气体，这其实是因为吸附在岩石上的这些气体在地球内部高温下被重新释放了出来，并随着火山喷发进入大气层。

但是早期的地球材料吸附的挥发性物质并不是这些，而是从太阳星云那里吸附过来的气体，所以那时候排的气体主要还是氢，氦、甲烷和氨等。

图注：氧化铁样品

由于氦气是惰性气体且很容易逃逸，所以基本不需要考虑它，当我们考虑剩下的这些气体时，就必须确定地球的含氧情况，因为这些物质都会和氧反应。

这一点，科学家是通过现在地幔样本来确定的，其中的关键便是看有多少氧与铁元素化学键合。

通过现有的样本，2020年的时候，科学家模拟了早期地球的大气层[1]，它很可能是一个含有97%二氧化碳和3%氮气的大气层，这可能就是地球冷却后第一个相对稳定的大气层了。

但是让人意外的是，第一个大气层的大气压大约是今天的 70 倍。

图注：地球和金星

说到这里不知道你想到了什么？

其实， CO2 与 N2 的这个比例与现在金星上的大气层是非常相似的，加上这样超高的大气压，早期的地球很可能和现在的金星很像。

如果你要继续问为什么地球变成现在这样，而金星保留了最初的模样，那么唯一能找到的答案就是金星离太阳太近了，而地球远了一点，所以它在之后的日子里发生了改变。

生物的出现和改造大气层

我们前面提到的第一个大气层，两个主要物质是CO2 与 N2，其实在地球冷却之前水蒸气的比重会很大，甚至可能比CO2 与 N2还高。

但是，由于地球距离太阳足够远，当它冷却下来后，水蒸气开始可以在地球上以水的形式存在，并形成了早期的海洋，这点就是关键所在。

因为海洋会吸收二氧化碳，地球的生命可能就是在这个过程中诞生的。

图注：地球生命诞生示意图

而金星由于距离太阳太近了，加上二氧化碳创造的温室效应，金星的每一个角落，无论白天黑夜都在400摄氏度以上，水永远只能以蒸汽的形式存在。

我们前面所说的地球失去和收集大气的时候，其实很多方面都没有考虑，比如太阳风和光化学反应等过程。

我们知道，如果没有磁场的存在，太阳风会毫不留情地剥离行星的大气层，在行星质量相同的情况下，分子量越大则越不容易被剥离，而水（H2O）是分子量最小氧化物，而且金星还几乎没有磁场，所以现在它上面的水分子已经所剩无几。

而地球冷却后，较重的元素——熔融的镍、铁进入了核心，在自转下产生了磁场，牢牢锁住了大气层和水蒸气。

当生命开始在海洋中形成的时候，地球的大气层进入了生命改造时代。

生命改造地球大气层主要包括两个方面，一个是主流的碳循环，一个是可能发生过的氮循环。

2016年的时候，科学家在澳大利亚27亿年前的熔岩中发现了一些包含过去大气成分的气泡，如果这些气泡代表过去的大气成分的话，那么可以判定当时的大气层浓密程度只有现在的一半，其中主要减少的就是氮。

当时科学家给出的解释是一些细菌可以“固氮”，就像现在的植物把二氧化碳变成不挥发的糖一样。

不过，这项研究或者发现并没有得到主流科学的认可，毕竟唯一的证据只是27亿年前的气泡而已，而更多的证据是指向早期地球的大气层比现在更浓密。

图注：现在的蓝藻依然无处不在

关于碳循环最重要的就是光合作用，以及地球本身的活动（如火山喷发），而至关重要的一次“改革”就是大氧化事件。

大约在25亿年前，蓝藻进化出光合作用，它们吸收二氧化碳，并把氧气以废气的形式排出。

地球大气中本来最多的二氧化碳，在海洋吸完，植物吸，一来二去反而被消耗殆尽，而地球的大气层也变成现在这种以本来只占3%的氮气为主，以及氧气为辅的成分。

地球大气层成分的变化其实还挺有趣的，我们现在大气这么适合生命生存，但其实它是生命自己创造的。

或许用微生物去改变别的星球环境确实有可能，就是不知道这个周期会怎么样？

参考资料：

[1]https://theconversation.com/ancient-earth-had-a-thick-toxic-atmosphere-like-venus-until-it-cooled-off-and-became-liveable-150934