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地球的空气从哪里来聊聊你不知道的空气史

www.tadcxc.com2019-07-20

  我们每天都在呼吸空气,空气对于我们所有人来说是最熟悉不过的东西了。但是你了解空气吗?你知道空气是从哪里来、又是怎样变成今天的样子吗?下面我们就来讲讲空气的历史。

  我们今天呼吸的空气中,大约有78.08%的氮气、20.95%的氧气、0.93%的氩、0.04%的二氧化碳和痕量的其它气体。空气中还含有水,正如我们平时所见的一样,水在空气中的分布并不平均,有些地方的空气很干燥,云雾中含有大量的水,海洋表面空气中的水气浓度大约为1%。平均计算的话,在整个大气层中大约含有0.4%体积的水气,看起来很少,但考虑到整个大气层的质量超过了5千万亿吨,所以空气中的水也是一个非常庞大的数字。

  水是地球生命之源,当地球最开始形成时,空气中还没有氮气和氧气,但已经有了水。

  

  水是生命之源

  地球形成之初

  宇宙中分布最广泛、数量最多的元素是氢。在太阳系形成之前的星云里,氢也是最重要的元素之一,它们聚在一起形成了太阳、木星和土星,天王星和海王星的大气中至今都含有大量的氢和氦,最早的地球表面空气中也一样有许多氢气和氢的化合物,比如甲烷、氨气和水。

  与水星、金星和火星一样,地球是比较靠近太阳的内行星,它由大量比较重的元素构成,而氢、氦这样轻的元素则大多被强烈的太阳风吹到了太阳系的外围,构成外行星的主要部分。靠近太阳的吸积盘中的大量碎屑、尘埃和气体相互吸引、碰撞、挤压,逐渐变成小行星、星子,再由星子一点点吸引更多的碎屑慢慢长大成行星。

  

  行星的形成

  地球在慢慢长大的过程中由于受到轨道上大量碎块和小行星的撞击,加上内部物质相互间的挤压、放射性物质衰变产生热量,导致在最初的几亿年间地球表面火山频发,几乎处于沸腾的状态。在这个过程中,地下大量的氮气、水蒸气和二氧化碳被火山带到地表,散发到空气中,而氢气由于更轻,它们处于大气层的最外围,一点一点地被太阳风剥离,吹散到太空中。这就是为什么氢气在宇宙中非常多,而在地球空气中极稀少的原因。

  

  地球最开始的样子

  氧气的产生

  如果你在27亿年前来到地球,这里依然是没有氧气的。尽管已经历经了近20亿年的漫长演化,地球表面依然是死寂的世界,空气中的氮气数量与今天差不多,二氧化碳的浓度很高。尽管当时的太阳没有今天亮,也没有今天这么热,但二氧化碳与水蒸气一样都是温室气体,它们为地球保温。

  

  温室气体的保温作用

  一个令人欣喜的现象是,在地球广阔的浅海区域和陆地的湖泊中,开始出现大量的原核生物和真核生物,它们是古老细菌和蓝藻细菌。这些细菌不需要氧气,它们依靠太阳的光合作用将空气中的二氧化碳转化为氧气。而当它们死亡后就会沉积到水底,由于水里面的氧气含量也极低,所以这些有机沉积物大部分不会被氧化,它们逐渐堆积,最终形成今天的石油。

  

  古老的蓝藻是地球氧气的最初贡献者

  尽管有大量细菌和藻类吸收二氧化碳,每年产生约 15.8 ± 3.3 T mol (1 T mol=1012 摩尔,1摩尔氧气=32克,) 超过5亿吨氧,二氧化碳数量在减少,但在几亿年的时间里地球空气中的氧气并没有怎么增加,氧气去了哪里?

  它们被吸收掉了。我们知道氧气有强氧化性,当时的地球表面,包括海洋中有大量的游离铁、铁离子以及其它的金属离子,这些铁会迅速还原氧,形成Fe?O?和Fe?O?,这些氧化铁不溶于水,它们会慢慢沉积,最终形成我们今天的磁铁矿和赤铁矿。

  

  一块生成于21亿年前的带状铁矿石

  直到地球表层的铁离子和其它容易被氧化的金属离子都被氧化后,空气中的游离氧气才迅速增加,这时候二氧化碳水平大幅下降,但还没有降到今天的水平,因为氧气会与空气中的甲烷气体发生化学反应产生新的二氧化碳和水。

  氧气的危与机

  甲烷是一种比二氧化碳更强的温室气体,由于地球空气中大量的二氧化碳被细菌和蓝藻消耗、新产生的氧气又氧化了甲烷,太阳光照度又不强,这直接导致24亿年前地球表面温度下降,进入第一个冰河时期。

  

  巨大的冰山

  空气中二氧化碳的急剧减少、氧气的大量增加、大量物质被氧气氧化以及由此带来的全球气温下降,这一系列事件被地质学家们称为“大氧化事件”。

  尽管当时空气中的氧气浓度还不到今天的10%,但大量产生的氧气足以杀死那些厌氧细菌,因为它们不能在氧气环境中生存,因此“大氧化事件”又被称为“氧气灾难”或“氧气屠杀”,厌氧细菌们被它们自己排出的氧气给憋死了。

  好在自然界总是在不断进步着,厌氧细菌的大量死亡为好氧细菌、依赖氧气进行细胞呼吸的真核生物以及多细胞生物腾出了生存空间。在其后的10亿年时间里,大量动植物开始在地球上出现。

  

  石炭纪森林

  氧气的高峰

  在第一次冰期出现之后的10亿年间,地球空气中的氧气含量基本维持在今天10%的水平,没有太大的变化。随着10亿年前地球上开始大量出现植物,空气中氧气含量开始飙升,到3亿年前的石炭纪时期,空气中的氧气含量达到空前的35%水平。

  

  石炭纪繁盛的生命

  我们知道今天氮气与氧气的比例大致维持在4:1的水平,氮气不活泼,它在空气中的含量很少发生变化,为什么氧气会达到35%的比例呢?一种可能的解释是,地球陆地繁盛的植物一方面产生更多的氧气,同时又通过固氮作用将更多的氮气固定在地面,从而导致氮氧比例的失衡。

  氧气浓度的上升被认为是进化多样化的几个驱动因素之一,尽管有许多学者质疑这种论点,因为氧气浓度与进化速率之间的一致模式并不明显。但不可否认的是,随着地球空气中氧气的大量增加,生命的繁衍越来越迅速,生物进化的进程也大大加快了。

  

  寒武纪生命大爆发

  在人类工业化进程开始之前,空气中二氧化碳的浓度呈现逐步减少的趋势。随着地球温度的缓慢降低,火山活动越来越少,由火山喷发带到地面的二氧化碳也一点点地减少。因温室气体减少在数亿年来已经引发多次冰期,冰期反过来又抑制植物将二氧化碳转化为氧气的速度,加上大量动物和好氧细菌大量消耗氧气排出二氧化碳,从而形成气候的动态平衡。

  总结

  我们今天所呼吸的空气中,绝大部分的气体并不是一开始就存在于地球表面的,火山喷发将氮气、二氧化碳和水带到了地面,水中大量繁殖的厌氧细菌将二氧化碳还原,它们排出氧气,把碳留在了地下,形成今天的石油。

  

  过去40亿年氧气变化曲线

  空气中二氧化碳的减少并不意味着氧气的增加,早期绝大多数的氧气与铁生成铁矿,直到20亿年之后,少量的氧气才出现在空气中。

  真正为我们今天空气做贡献的是5亿年前陆地上大量出现的植物,它们一度将氧气含量推高到35%,与此同时温室气体的大量消耗也带来了冰川,使地球变得冰冷。

  人类有改变自然的能力,正因为如此,我们更应该了解自然,敬畏自然,如果盲目地开发地球、破坏几十亿年来形成的自然平衡,灾难很可能会降到我们头上。

  

  珍惜生命,保护环境

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