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阅读 3704 次 历史版本 1个 创建者:Gnian (2010/6/24 4:25:53)  最新编辑:Gnian (2010/6/24 4:25:59)
地球大氣演化
拼音:diqiu daqi yanhua
英文:evolution of the earth's atmosphere
 
地球大氣層是隨着地球的形成而逐步演變的,經過幾十億年的不斷演化,才成爲今天的狀態
地球大氣層是隨着地球的形成而逐步演變的,經過幾十億年的不斷演化,才成爲今天的狀態
 包圍地球的氣殼稱爲地球大氣。現在的大氣是由原始大氣經歷一系列複雜變化才形成的。原始大氣出現於距今約4.6×109年以前,比人類出現的時間約早三個量級(人類出現距今數百萬年),比人類最初出現文字記載的時間約早六個量級(文字出現距今數千年)。所以人類無法穫得各階段的大氣樣本,隻好依靠所發現的地層征蹟和太陽系行星上大氣的資料,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,前同星系太陽系行星起源相銜接,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爲在地區上能横向調諧、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。地球大氣的演化經歷了原始大氣、次生大氣和現在大氣三代。
  

原始大氣

 
  原始大氣的形成與星系的形成密切有關。宇宙中存在着許多原星系,它們最初都是一團巨大的氣體,主要成分是氫。以後原星系内的氣體,團集成許多中心,在萬有引力作用下,氣體分别向這些中心收縮。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,使原星體内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爲一個氦原子的過程。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爲光速),這些聚變過程會伴生大量輻射能,使原星體轉變爲發光的恒星體。恒星體内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。
  
  特别巨大的星體,内部核反應特強,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,都進一步使星系内增加更多的較重元素,使星際空間内既有大量氣體(以氫、氦爲主),又有固體微粒。太陽系是銀河系中一個鏇臂空間内的氣體原星體收縮而成的,因此它包含有氣體和固體微粒。太陽系的年齡估計爲46~50億年,銀河系的歷史約比太陽系長2~3倍。
  
  原太陽系中彌漫着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,也分别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:有的認爲是同時形成的,有的認爲是先形成太陽,後形成行星及衛星,有的認爲衛星是行星分裂出的,也有認爲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。
  

原始大氣的形成

 
  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。隨着“原地球”轉變爲“地球”,地表漸漸冷凝爲固體,原始大氣也就同時包圍地球表面。
  
  對原始大氣的組分有着不同的看法。有的認爲原始大氣中的氣體,以氫和一氧化碳爲主。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硅、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,引力能轉化爲熱能,使地球溫度不斷提高。當升溫到1000°C以上時,這類隕石的組分會發生自動還原現象。其中金屬和硅的氧化物被還原爲金屬和硅,所放出的氧則和碳結合成一氧化碳而脱離地面進入大氣。例如氧化亞鐵會發生下列反應:

        FeO+C→Fe+Co

  使氧化亞鐵還原爲金屬鐵並產生一氧化碳。而甲烷在此高溫下也會部分分解爲碳和氫。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爲主的原始大氣。 根據林伍德的意見, 原始大氣中不能存在甲烷和氨,因爲甲烷和氨的沸點分别爲-161.5°C和-33.35°C,它們在溫度遠高於1500°C的原始大氣中,早就分解掉了。但是據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穫的,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,地球最初的大氣是一種以氫、氦爲主體的大氣。當時大氣中氫的重量約爲全球固體部分鎂、硅、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。因爲即使是原始大氣,其組分也是在不斷變化着的。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。
  

原始大氣的驅散

 
  原始大氣存在的時間不太久,僅數千萬年。因爲年青的恒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。
  

次生大氣

 

次生大氣的形成

 
  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爲熱能所致,流星隕石從四面八方打擊固體地球表面,其動能也會轉化爲熱能。此外,地球内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,還起到爲產生次生大氣准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、硅、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使地球内部升溫而呈熔融狀態。這一作用十分重要。因爲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爲盛行。在這種作用下,地球内部物質的位能有轉變爲宏觀動能和微觀動能的趨勢。微觀動能即分子運動動能,它的加大能使地殼内的溫度進一步升高,並使熔融現象加強。宏觀動能的加大,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内部的氣體,通過造山運動和火山活動將排出地表,這種現象稱爲“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爲水汽(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,他們以甲烷和氫爲主,尚有一定量的氨和水汽。
  
  次生大氣中沒有氧。這是因爲地殼調整剛開始,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

 
  由次生大氣轉化爲現在大氣,同生命現象的發展關係最爲密切。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,如氨基酸和腺嘌呤等。腺嘌呤是脱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。於是認爲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。這是因爲在氧氣充沛的大氣中,最簡單的生命體易於分解、難以發展。
  

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,把水汽分解爲氫、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,並在那里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。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爲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,就能脱離水域而登陸活動。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爲減少的原因之一。因爲現在大氣的溫度比早期爲低。
  
  大氣中氧含量逐漸增加是還原大氣演變爲現在大氣的重要標志。一般認爲,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爲千分之一。地球上各種藻類繁多,它們在光合作用過程中可以制造氧。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,足以屏蔽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,大氣氧已增爲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叠紀(分别距今約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,爲中生代初的三叠紀(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,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爲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爲現在大氣,氧含量有先增後減的蹟象,其中在古生代末到中生代中期氧含量爲最多。
  

氮和氬的形成

 
  正如現在大氣中的二氧化碳,最初有一部分是由次生大氣中的甲烷和氧起化學作用而產生的一樣,現在大氣中的氮,最初有一部分是由次生大氣中的氨和氧起化學作用而產生。火山噴發的氣體中,也可能包含一部分氮。在動植物繁茂後,動植物排泄物和腐爛遺體能直接分解或間接地通過細菌分解爲氣體氮。氧雖是一種活潑的元素,但是氮是一種惰性氣體,所以在常溫下它們不易化合。這就是爲什麼氮能積集成大氣中含量最多的成分,且能與次多成分氧相互並存於大氣中的原因。至於現在大氣中含量占第三位的氬,則是地殼中放射性鉀衰變的副產品。
  

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,它將隨着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内近似地保持平衡。但是人畜的大量繁殖,使大氣中自由氮轉變爲固定態氮的量不斷增加。又根據統計,自1950年到1968年,爲了生產肥料,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。
  

地球大氣演化新說——早期地球大氣氫含量很高


  美國科羅拉多大學研究人員說,他們發現早期地球的大氣層中氫含量很高,而其流失速度卻遠低於現在。這一成果改變了人們對地球大氣演化的傳統觀點,也可能修改地球生命誕生的學說。

  多年以來科學界一直認爲,地球在46億年前誕生。此後很長時間,地球大氣成分都是以二氧化碳、甲烷爲主,而氫的含量很少,就如同火星或金星的大氣。而科羅拉多大學的研究成果顯示,早期地球大氣中氫的濃度可能高達40%,氫流失的速度也相當於現在的百分之一。

  相關論文當天發表在美國《科學》雜志網絡版上。研究人員在論文中解釋道,地球大氣中最早的氫是由火山噴發帶來的,其流失的速度和大氣層最外圍逃逸層的溫度有關。逃逸層溫度越高,氫流失得越多。傳統學說認爲早期地球大氣逃逸層的溫度在800攝氏度以上,而田豐等人考慮到大氣層中不同成分對太陽輻射熱的吸收,認爲這一溫度可能隻有300攝氏度左右。因此,大氣中氫的逃逸速度遠遠低於傳統估計。

  參與此項研究的科羅拉多大學教授歐文·圖恩說,地球上生命的誕生離不開氫,如果按照傳統學說,早期地球大氣層中的氫流失很快,不足以產生生命最早的有機成分———氨基酸,所以科學家們多年來一直在思考地球上氫的來源,比如火山噴發、海底氣孔噴發、甚至彗星等。而按照新的研究成果,地球自身產生的氫就足以彌補流失到宇宙中的部分,維持大氣中的高濃度氫。
 

地球大氣的一部分來自原始太陽系


 
研究人員發現:地球上一部分大氣源自太陽系
研究人員發現:地球上一部分大氣源自太陽系
 研究人員對采自美國新墨西哥州深井中的遠古氣體成分進行了分析,從而找到了令人信服的證據,表明地球上的一部分大氣源自太陽系。這一發現將改變長期存在的關於地球大氣演化的認識。

  從上世紀50年代開始,科學家便認爲隨着原始的塵埃雲和氣體凝結成地球——這一過程還形成了太陽和其他行星,有一些氣體同時也被地幔所俘穫。曆經數億年的光景,火山噴發又將這些氣體送回地球表面,而地心引力則使得它們無法重返太空。這些氣體連同由生命產生的氧氣以及其他分子構成了今天人們所說的大氣。

  這是一個合理的假設,至少在研究人員幾年前着手從新墨西哥州的深井中采集樣本之前是這樣。他們最初的想法是分析幾十億年來在地下捕穫的火山氣體的原始氣泡。這些氣泡之前從未到達過地表,因此也從未被現代大氣所污染。特别需要指出的是,研究人員分别研究了氣態元素氪和氙的同位素比例。

  氣體樣本中的氪和氙的同位素比例帶來了一個驚人的發現——它們與在孕育太陽系的原始雲團中發現的比例並不疋配。後者依然存在於今天的太陽風中,並且經由人造衛星探測得到。事實上,這些比例與在某些45億年前——即太陽系形成之初——形成的隕星中發現的比例相吻合。(這些隕星曾先後撞擊在地球表面。)研究人員斷言,地球大氣中的一部分氣體一定是在地球尚未完全形成之前就已經存在了,它們可能是由撞擊地球的彗星所擕帶——彗星上的冰在撞擊過程中蒸發,從而在大氣中留下了水氣以及氪、氙和其他元素的痕蹟。研究人員在最新出版的美國《科學》雜志上報告了這一研究成果。

  參與該項研究的英國曼徹斯特大學的同位素地球化學家Christopher Ballentine表示:“這真是一項意想不到的發現。”他說:“最早被地球俘穫並保存在其内部的氣體並沒有構成今天大氣中的氣體。這意味着大氣的出現比之前所預測的晚得多。”領導這項研究的曼徹斯特大學的地球化學家Greg Holland指出,爲了證明彗星對地球大氣的形成作出了貢獻,科學家還需要分析最近由美國宇航局(NASA)星塵計劃采回的彗星樣本中的氪和氙的同位素比例。

  美國雙子市明尼蘇達大學的物理學家Bob Pepin認爲,研究人員采集的氪和氙的同位素比例的數據“質量極高。之前從未有過這麼好的發現”。但是Pepin強調,當早期地球遭受因月球形成而帶來的洪水的沖擊時,地幔中的原始氣體很可能被全部釋放到大氣中,之後不會留下任何它們曾經存在的證據。Pepin說,除非新的工作能夠模擬精確的過程,“否則我們將對此持觀望態度”。






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