十八、大气层-1(大气配方及演化B)

3.过去地球的大气

如果你走出时光机器进入前寒武纪的空气，你会立刻窒息而死，因为地球并不总是拥有我们今天所吸入的富氧大气层。让我们简要地看看从地球诞生到今天，我们的大气层是如何随着时间演变的。

3.1第一种大气

当地球在4.54Ga刚形成时，氢分子(H2)和氦原子(He)是星云中最常见的气体，围绕着我们的星球形成大气层。然而，由于频繁的火山爆发，以及小行星和彗星的到来，许多其他气体分子(如H2O、CO2、N2和SO2)进入到空气中，这种大气并不稳定。

此外，虽然地球的引力可以抓住较重的气体，但较轻的气体(H2和He)会逃逸到太空中。到大约4.0Ga时，地球大气层的气体组合明显不同于星云。第一种大气由大约55%的H2O，15%的CO2，15%的N2，15%的氨(NH3)和微量的甲烷(CH4)组成。这些气体大部分来自于火山喷发，这些气体曾经与地球内部的矿物结合在一起，但也有一些可能来自撞击彗星。

地球大气演化的各个阶段，注意O2和CO2浓度的变化

3.2第二种大气

在4.0到3.9Ga之间，也就是被称为“晚重轰击(Late Heavy Bombardment)”的时期，大量的陨石撞击了地球，地球表面可能变成了熔融状态，所有的海洋都蒸发了。

地质记录显示，到3.85Ga时，在猛烈的撞击停止后，我们星球的表面冷却到低于水蒸气凝结成液体的温度，从那时起，它的温度一直低于水的沸点。液态水以地表水(海洋、湖泊和河流)、地下水和固态冰的形式收集。

H2O从空气中转移到地球的液态水储存库中，导致大气中的H2O浓度直线下降。液态水的出现，反过来又导致大气中的二氧化碳浓度大幅降低，因为大量的二氧化碳溶解在海水中，然后沉淀形成固体碳酸盐沉积物。

陆地上岩石的化学风化也吸收了二氧化碳。这些过程将大气中的大部分二氧化碳锁定在坚硬的地壳岩石中。在3.8 Ga时，地球有了第二种大气。大气主要由N2、约20%的CO2、少量的其他火山气体和不同数量的水组成。

为什么氮气气体在大气中占主导地位？因为N2是惰性气体，也就是说它不会和其他化学物质反应。因此，当其他气体与矿物结合，或溶解在海里时，氮气仍然留在大气中。

3.3第三种大气

如果地球上没有生命，大气层将几乎不包含任何游离氧(O2分子)，因为火山不释放O2。对我们来说幸运的是，地球上充满了生命。第一批生物体出现在大约3.8Ga的时候，到3.5Ga时，蓝藻这种可以进行光合作用的微小蓝绿色单细胞原核生物，在海洋中蓬勃发展。

光合作用是一种在特定类型的活细胞中发生的化学过程，它从大气或海洋中提取二氧化碳，将其转化为有机化学物质，并释放出副产物O2。

几乎所有释放出来的氧气都被岩石吸收或溶解在水中，所以大气中只保留了微量的氧气。在2.7Ga时，地球发生了戏剧性的转变：真核细胞(有细胞核的细胞)出现了。真核生物比原核生物光合作用效率更高，所以全球的O2产量开始增加。

2.4-1.8Ga之间，被称为“大氧化事件(Great Oxygenation Event)”，O2开始累积，在大气中积累的氧气量超过了微量的标准。

生物体光合作用不仅释放氧气，而且吸收二氧化碳。如果所有的生物量(Biomass，生物体中的物质)在生物体死亡时腐烂，大气中的二氧化碳浓度将保持在20%左右，因为腐烂过程将二氧化碳返回到大气中。

然而，在地球系统中，并不是所有的生物量都会衰减。相反，有些会和沉积物一起沉积在海底或湖床上。如果这些富含有机物的沉积物被深埋到足够深的地方变成岩石，那么其中的生物量就会有效地锁在地下。

沉积岩中有机质的捕获导致大气中的二氧化碳浓度进一步下降，从20%左右下降到痕量。结果，空气中氧气的比例增加了，地球形成了第三种大气，即今天主要由氮气和氧气构成的现代大气。

大气中氧气的积累给地球环境带来了难以置信的变化。例如，在无氧水中，铁可以大量溶解。但如果水中有足够的氧，铁就会与氧发生反应，产生氧化铁矿物，如赤铁矿或磁铁矿。

大氧化事件导致大量溶解在海洋中的铁在海底与其他沉淀物一起沉淀和积累。埋藏后，这些富含铁的沉积物变成带状铁建造(BIF)，一种由氧化铁矿物和燧石交替层组成的岩石。BIF是我们目前主要的铁矿石来源。

氧气的存在为多细胞生命的进化奠定了基础，因为使用氧气的呼吸允许更快的新陈代谢，更大的生物体。此外，大气中的O2提供了可以形成臭氧(O3)分子的原子。臭氧通过吸收对生命有害的阳光成分，如紫外线辐射，提供了一个保护屏障。大气中臭氧的增加使得植物和动物有可能最终出现在陆地上。

大气中的氧气浓度在600Ma之前一直保持在5%以下。在这段时间里，甚至进化出了更高效的产氧多细胞生物。在显生宙，大气中氧气的浓度发生了波动。在晚古生代大量产氧森林生长时，氧浓度最高。

这些高浓度的氧气使得非常大的昆虫，如1m宽的蜻蜓，能够在古生代晚期的森林中生存下来。然而，大气中的氧气浓度不能超过35%。如果是这样的话，野火将会吞噬产生氧气的陆地植物，因为燃烧会在富含氧气的空气中迅速发生。