基本介紹
- 中文名：地球大氣演化
- 外文名：evolution of the earth，s atmosphere
- 讀音：diqiudaqiyanhua
- 地球大氣：包圍地球的氣殼
- 出現時間：距今約46億年年以前
- 經過：原始大氣、次生大氣和現在大氣
特點,分類,三代,原始大氣,次生大氣,現在大氣,主要氣體形成,人類影響,大氣分層,原始大氣成分,看法一,看法二,原始大氣驅散,參考書目,
特點
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（見行星大氣），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。
分類
三代
地球大氣演化原始大氣
原始大氣的形成與星系的形成密切有關。宇宙中存在著許多原星系，它們最初都是一團巨大的氣體，主要成分是氫。以後原星系內的氣體，團集成許多中心，在萬有引力作用下，氣體分別向這些中心收縮。出現了許多原星體，愈收縮則密度愈大，密度愈大則收縮愈快，使原星體內原子的平均運動速率愈來愈大，溫度也愈來愈高。當溫度升高到攝氏1000萬度以上時，原星體會發生核反應，出現四個氫原子聚變為一個氦原子的過程。較大的原星體的核反應較強，能聚變成較重的元素。按照愛因斯坦能量（E）和質量（m）方程E = mc2（c為光速），這些聚變過程會伴生大量輻射能，使原星體轉變為發光的恆星體。恆星體內部存在複雜的核反應，在氫的消耗過程中，較重元素的豐度漸漸增多，並形成一些更重要的元素，光譜分析的結果是，原子豐度隨原子序數增大而減少。
特別巨大的星體，內部核反應特強，能使星體爆裂，形成超新星，它具有強大的爆炸壓強，使其中已形成的不同原子量的元素裂成碎片，散布到星際空間中去，造成宇宙塵和氣體雲，隨後冷卻成暗雲。這樣，超新星的每一次爆炸，都進一步使星系內增加更多的較重元素，使星際空間內既有大量氣體（以氫、氦為主），又有固體微粒。太陽系是銀河系中一個旋臂空間內的氣體原星體收縮而成的，因此它包含有氣體和固體微粒。太陽系的年齡估計為46～50億年，銀河系的歷史約比太陽系長2～3倍。 原太陽系中瀰漫著冷的固體微粒和氣體，它們是形成行星、衛星及其大氣的原料。在原太陽系向中心收縮時，其周圍繞行的固體微粒和氣體，也分別在引力作用下凝聚成行星和衛星。關於太陽、行星、衛星是否同時形成，尚有不同意見：有的認為是同時形成的，有的認為是先形成太陽，後形成行星及衛星，有的認為衛星是行星分裂出的，也有認為行星和衛星的形成早於太陽。但對地球的形成約在距今46億年前，則是比較一致的看法。原地球是太陽系中原行星之一。它是原太陽系中心體中運動的氣體和宇宙塵借引力吸積而成。它一邊增大，一邊掃並軌道上的微塵和氣體，一邊在引力作用下收縮。隨著“原地球”轉變為“地球”，地表漸漸冷凝為固體，原始大氣也就同時包圍地球表面。
次生大氣
地球原始大氣的消失不僅是太陽風狂拂所致，也與地球吸積增大時溫度升高有關。溫度升高的原因不僅是吸積的引力能轉化為熱能所致，流星隕石從四面八方打擊固體地球表面，其動能也會轉化為熱能。此外，地球內部放射性元素如鈾和釷的衰變也釋放熱能。上述這些發熱機制都促使當時地球大氣中較輕氣體逃逸。 發熱機制除使當時大氣中較輕氣體向太空逃逸外，還起到為產生次生大氣準備條件的另外兩種作用。①使被吸積的C1型碳質球粒隕石中某些成分因升溫而還原，使鐵、鎂、矽、鋁等還原分離出來，由於它們的比重不等，造成了固體地球的重力不穩定結構。但由於它們都是固體，沒有自動作重力調整的可能。②使地球內部升溫而呈熔融狀態。這一作用十分重要。因為它使原來不能作重力調整的不穩定固體結構熔融，可通過對流實現調整，發生了重元素沉向地心、輕元素浮向地表的運動。這個過程在整個地質時期均有發生，但在地球形成初期尤為盛行。在這種作用下，地球內部物質的位能有轉變為巨觀動能和微觀動能的趨勢。微觀動能即分子運動動能，它的加大能使地殼內的溫度進一步升高，並使熔融現象加強。巨觀動能的加大，使原已堅實的地殼發生遍及全球的或局部的掀裂。這兩者的結合會導致造山運動和火山活動。在地球形成時被吸積並錮禁於地球內部的氣體，通過造山運動和火山活動將排出地表，這種現象稱為“排氣”。地球形成初期遍及全球的排氣過程，形成了地球的次生大氣圈。這時的次生大氣成分和火山排出的氣體相近。而夏威夷火山排出的氣體成分主要為水汽（約占79%）和二氧化碳（約占12%）。但根據H.D.霍蘭（1963）的研究，在地球形成初期，火山噴發的氣體成分和現代不同，他們以甲烷和氫為主，尚有一定量的氨和水汽。 次生大氣中沒有氧。這是因為地殼調整剛開始，地表金屬鐵尚多，氧很易和金屬鐵化合而不能在大氣中留存，因此次生大氣屬於缺氧性還原大氣。次生大氣形成時，水汽大量排入大氣，當時地表溫度較高，大氣不穩定對流的發展很盛，強烈的對流使水汽上升凝結，風雨閃電頻仍，地表出現了江河湖海等水體。這對此後出現生命並進而形成現在的大氣有很大意義。次生大氣籠罩地表的時期大體在距今45億年前到20億年前之間。
現在大氣
由次生大氣轉化為現在大氣，同生命現象的發展關係最為密切。地球上生命如何出現是長期爭論的問題。А.И.奧巴林（1924）最早提出生命現象最初出現於還原大氣中的看法，其後有S.L.米勒（1952）等人在實驗室的人造還原大氣中，用火花放電的辦法制出了一些有機大分子，如胺基酸和腺嘌呤等。腺嘌呤是脫氧核糖核酸和核糖核酸的主要成分。所以這種實驗有一定意義。但20世紀60、70年代人們利用射電望遠鏡發現在星際空間就有這些有機大分子，例如氨亞甲胺(CH2NH）、氰基(CN）、乙醛(CH3CHO）、甲基乙炔(CH3C2H）等。他們又曾將隕星粉末加熱，發現有乙腈(CH3CN）等揮發性化合物和腺嘌呤等非揮發性化合物。於是認為生命的根苗可能存在於星際空間。但無論如何，即使“前生命物質”來自星際空間，但最簡單的最早的生命，仍應出現於還原大氣中。這是因為在氧氣充沛的大氣中，最簡單的生命體易於分解、難以發展。
主要氣體形成
氮和氬的形成：
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。
人類影響
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。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。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（見空氣污染氣象學、人類活動對氣候的影響）。
大氣分層
不論是原始大氣、次生大氣或現在大氣，由於太陽輻射、大氣成分和地球磁場的特點的不同，都具有性質不同的層次。關於地質時期大氣圈中的分層情況，可由太陽系其他行星大氣的分層而有所推估。現在大氣形成後，由於大氣成分和地磁場的條件基本上已知，可根據太陽發射的各波長的電磁波在大氣中傳播時所起的作用不同來分析分層現象。太陽輻射的波長大致可分為四個波段：短於0.1微米的波段，其能量主要來自太陽的色球層和日冕部分，該波段主要對大氣起光致電離作用，大於0.1微米的三個波段，其能量主要來自太陽的光球層，其中0.1～0.2微米的輻射占太陽總輻射能的萬分之一，有使氧分子光致離解的作用；而0.2～0.3微米的輻射占太陽總輻射能的1.75%，有使臭氧發生光致離解的作用；至於波長大於0.3微米的能量，占太陽總輻射能量的98%，易被水汽和地面所吸收，有照明和轉化為熱能的作用。
中性層
太陽輻射中短於0.1微米的電磁波,在從大氣頂深入到距地表約90公里（白天約60公里）的過程中，使大氣光致電離的同時，也被大氣吸收而不斷削弱，從而難以透入到距地表60公里以下的大氣中，所以60公里以下的大氣幾乎無光致電離過程，大氣保持了中性。形成了中性層。中性層在約60公里以下。
電離層
太陽輻射中波長短於0.1微米的部分可深入大氣到距地表約90公里以上（白天為約60公里以上），能使大氣中的氮和氧等成分電離。原子氧由較低層大氣中的氧分子受光致離解後向上擴散到距地表200公里以上而得。大體在距地表100公里以下，分子氧離子很多，原子氧離子很少。但在距地表200公里到500～1000公里之間，原子氧離子就比分子氧離子多了。總的說來，從距地表60公里到距地表500～1000公里之間，因大氣成分受光致電離較盛，就形成了電離層。在電離層中，中性分子的數密度較大，離子運動受中性分子運動的干擾較大，所以尚難以全受地磁場的控制。電離層在60～500或1000公里。
磁層
熱層、中層、平流層和對流層
這四個層次的形成主要同太陽輻射進入大氣後產生熱效應有關。波長為0.1～0.2微米的太陽強烈紫外輻射，能使距地表約85公里以上的分子氧光致離解，形成原子氧。原子氧擴散到200公里以上的高空，在波長短於0.1微米的紫外輻射作用下，形成了離子，並與自由氧分子交換電子，並放出大量熱能。另外，氧離子還與氮分子作用，形成氧化氮離子，而氧化氮離子與電子複合，以及分子氧離子與電子複合，在這些過程中都放熱。由於在300公里或以上的高空，大氣分子稀少，上述三种放熱過程的綜合作用，就使高空溫度升得很高，達1500℃以上。這樣從85公里到約250～500公里高度溫度隨高度的增加而增高，形成了熱層。在500公里以上，因大氣中性分子可逸向太空，故稱為外逸層。波長0.1～0.2微米的太陽輻射在距地表85公里以下的大氣中，仍能對氧分子起光解作用並形成氧原子。氧原子十分活躍，很易和氧分子結合，組成臭氧。但這種臭氧所含有的多餘能量，使臭氧易於分解。但如有第三體M參與碰撞，就可將多餘能量帶走，使臭氧的結構穩定下來（見大氣臭氧層）。在距地表85公里以上，空氣較稀，原子氧和分子氧結合時缺乏第三體M的碰撞，難以形成穩定的臭氧。在距地表85公里以下的空間，空氣較密，易於發生第三體碰撞，有利於臭氧的穩定。有了臭氧後會發生下列兩個放熱過程： O3+O→2O2
O3+hν（λ0.2～0.3μm）→O2+O
這就使距地表約50公里處出現高溫。50～85公里的高度範圍內形成一個溫度隨高度增加而遞減的區域，稱為中層。通過高層大氣而能到達地面的太陽輻射，其波長大於0.3微米。它在低空僅能起到照明和使地面加熱的作用。地面高溫和50公里高度的高溫之間為相對的低溫。在中緯度，相對最低溫的大氣層距地表約12公里，這即為對流層頂。地面向上到約12公里處，大體上溫度隨高度而遞減，形成了對流層。在12公里和50公里高度之間，氣溫隨高度而升高，形成了平流層。這樣，大氣圈就形成了對流層、平流層、中層和熱層四個熱力性質不同的層次。
勻和層
其形成與大氣的湍流混合強度有關。“勻和”就是大氣各組分因湍流而均勻混和，造成組分的百分率上下一致的意思。對流層和中層都是下熱上冷的溫度結構，所以對流較盛，其間夾有一個下冷上熱的較穩定的平流層。但平流層溫度向上遞增的現象不及其上下層的溫度向上遞減現象顯著，所以把對流層、平流層和中層三個層次綜合來看，湍流混和作用還是主要的，只是平流層中的混和現象較弱而已。在中層頂以下，大氣由於充分混和，其組分的比例基本上一致。從而就形成了中層頂以下的勻和層。
非勻和層
從中層頂到距地表約300公里的高度，溫度隨高度增高得很快，大氣層結基本穩定（見大氣靜力穩定度），無湍流運動，分子擴散運動主要受重力影響，大氣中分子量或原子量愈大的氣體，其密度向上遞減的速率愈快。這就造成高層大氣中重組分和輕組分分離、並形成高度愈高則重組分愈少的現象。由於光致離解作用，在高層大氣中存在著一些原子氣體，自下而上形成了原子氧向上遞增區、原子氧區、原子氦區和原子氫區。這種高度不同其主要成分也有變化的氣層稱為非勻和層。
光化層
在距地表約20～110公里之間的氣層中，化學變化較其上或其下的氣層為盛，在這層內各高度的大氣密度和成分不同，而且流星餘燼又使其成分複雜化，太陽輻射的紫外部分的強度，也足以使其中成分發生光分解或光電離等作用，被分解或電離的物質在一定條件下又能互相發生化學反應。例如在平流層中有分子氧光解為原子氧、分子氧和原子氧組合成臭氧、臭氧分解等化學過程，平流層中的臭氧層就是化學過程所造成的。又如在中層有水汽光解為原子氫和氫氧基的過程等。這些化學反應往往隨晝夜、季節、緯度和高度而變化，加上湍流和大氣環流又可以將反應物帶到一起，這又增加了化學反應的複雜性和頻繁性。 在光化層以上的非勻和層內，各高度的空氣成分比較單純。由於那裡屬逆溫層，空氣較為穩定，沒有湍流使各高度不同成分的氣體加強混合，而且密度較小，即使在強太陽輻射作用下，也難以發生化學變化。主要發生的只是電離等物理反應。 在光化層以下的氣層中，波長短於0.3微米的太陽輻射基本上已被其上氣層所吸收，到達的多為波長大於0.3微米的電磁波。它們在低層較密的大氣中傳播時，僅起到照明和加熱等物理作用。這層內僅存在由人類活動所致的污染物造成的大氣化學變化。
原始大氣成分
看法一
有的認為原始大氣中的氣體，以氫和一氧化碳為主。例如，A.E.林伍德（1973）曾在慶祝哥白尼誕生500周年紀念會上指出，地球的固體部分主要是由C1型碳質球粒隕石吸積而成，這種隕石含有豐富的二氧化矽、氧化亞鐵、氧化鎂、水汽、碳質（如碳和甲烷等）；此外還有硫和另一些金屬氧化物。在地球吸積增大時，引力能轉化為熱能，使地球溫度不斷提高。當升溫到1000℃以上時，這類隕石的組分會發生自動還原現象。其中金屬和矽的氧化物被還原為金屬和矽，所放出的氧則和碳結合成一氧化碳而脫離地面進入大氣。例如氧化亞鐵會發生下列反應：FeO+C→Fe+Co 使氧化亞鐵還原為金屬鐵並產生一氧化碳。而甲烷在此高溫下也會部分分解為碳和氫。碳又可起到還原氧化亞鐵的作用，形成氫和一氧化碳。此外，水汽在此高溫下也能和碳作用，生成氫和一氧化碳。這就形成了以一氧化碳和氫為主的原始大氣。根據林伍德的意見， 原始大氣中不能存在甲烷和氨，因為甲烷和氨的沸點分別為-161.5℃和-33.35℃，它們在溫度遠高於1500℃的原始大氣中，早就分解掉了。
看法二
據G.P.柯伊伯的意見，原始大氣是原太陽星雲中氣體因進入地球引力範圍而被地球俘獲的，因此它的成分應當和原太陽系中氣體的豐度基本相似。根據柯伊伯（1952）的計算，地球最初的大氣（見表）是一種以氫、氦為主體的大氣。當時大氣中氫的重量約為全球固體部分鎂、矽、鐵、氧四種元素總重量的 400倍。而這四種元素是今日地球固體部分的最多組分，可見那時大氣中含氫量之多了。
對原始大氣組分的上述兩種看法雖然很不相同，但並不是不能統一。因為即使是原始大氣，其組分也是在不斷變化著的。在地球形成之初，溫度尚不很高，吸積的氣體應當符合柯伊伯提出的情況。但當吸積較甚時，溫度就會很快升高，這時林伍德所提出的過程就會占優勢了。
原始大氣驅散
原始大氣存在的時間不太久，僅數千萬年。因為年青的恆星一般都要經歷一個噴發大量物質流的階段，即金牛座T型變星階段。太陽經歷這個階段時，正當地球形成的早期，此時太陽以驚人的速率噴發巨量太陽物質，形成所謂太陽風。它把地球原始大氣從地球上撕開，刮向茫茫太空。
參考書目
森山茂著：《大気の歴史──原始大気かぅ惑星大気へ一》東京堂出版社，東京，1981。
