地球原始大气成分解说

地球原始大气成分解说

包围地球的气壳称为地球大气，现在的大气是由原始大气经历一系列复杂变化才形成的。原始大气出现于距今约46亿年年以前，比人类出现的时间约早三个量级（人类出现距今数百万年），由于人类无法获得各阶段的大气样本，只好依靠所发现的地层特征和太阳系各行星上大气的资料，结合自然演化规律以及物理学、化学、生物学的理论和实验等，用模拟方法或逻辑推理进行研究。但所得的资料仍十分零星，而且地球大气的演化史，同星系、太阳系、行星起源相衔接,也同人类对大气的影响相联系,本身又和地球的地质发展史、生命发展史等密切相关，想要科学地说明现在大气成分的结构机理和地球大气演化史，是十分困难的，一些学者提出了地球大气的多种演变模式。

地球大气的演化经历了原始大气、次生大气和现在大气三代。大多数人赞同现代大气（除氧气外）是地球排气作用的产物，但对在强烈的排气作用发生之前是否存在原始大气有争论。支持地球存在原始大气的一个理由是在地球增生的最后阶段挥发性元素会聚集在其周围，在低温条件下，挥发性元素必然从太阳系星云中冷凝出来。如果原始大气在地球增生过程的最后阶段就已出现，由含铁的上地幔中排放出来的气体H2、CO和C H4可能是当时大气的主要成分，现代大气中的惰性气体（Ar、Ne、K r、X e等）可能是原始大气的残余，而原始大气失逸的一个可能原因是太阳风的作用。

而多年以来科学界一直认为，地球在46亿年前诞生，此后很长时间，地球大气成分都是以二氧化碳、甲烷为主，而氢的含量很少，就如同火星或金星的大气。也有人认为以氢和一氧化碳为主，我是比较支持后者观点的，以下研究成果皆可作为例证：

例如，A.E.林伍德(1973)指出,地球的固体部分主要是由C1型碳质球粒陨石吸积而成，这种陨石含有丰富的二氧化硅、氧化亚铁、氧化镁、水汽、碳质（如碳和甲烷等）；此外还有硫和另一些金属氧化物。在地球吸积增大时，引力能转化为热能，使地球温度不断提高。

当升温到1000°C以上时，这类陨石的组分会发生自动还原现象。其中金属和硅的氧化物被还原为金属和硅，所放出的氧则和碳结合成一氧化碳而脱离地面进入大气。例如氧化亚铁会发生下列反应：

FeO+C→Fe+C O使氧化亚铁还原为金属铁并产生一氧化碳。而甲烷在此高温下也会部分分解为碳和氢。碳又可起到还原氧化亚铁的作用，形成氢和一氧化碳。此外，水汽在此高温下也能和碳作用，生成氢和一氧化碳。这就形成了以一氧化碳和氢为主的原始大气。根据林伍德的意见，原始大气中不能存在甲烷和氨，因为甲烷和氨的沸点分别为-161.5°C和-33.35°C，它们在温度远高于1500°C的原始大气中，早就分解掉了。

在之前的计算机对原始大气的模拟中，一氧化碳会因太阳紫外线的照射而分解。但C olm an说：“我们的研究则认为不能忽视微生物在一氧化碳下降中所起的作用，它们既能产生也能消耗，这是一个动态的循环。”C olm an的计算结果认为当时的一氧化碳已经达到了当时大气百分之一的浓度，是现代浓度的几万倍。在西伯利亚，有大量奇特的热泉，它们有不同的颜色、温度、化学成分，以及不同的微生物生活在其中，有点像美国的黄石公园。Col man说：“在复杂的热液系统中，一些微生物会生活在我们无法观察到的地方，那里的环境更极端，我们已经知道在深海黑烟囱中微生物能够在极端的条件下生活，而且有部分微生物也会通过代谢作用产生一氧化碳。”

而据G.P.柯伊伯的意见，原始大气是原太阳星云中气体因进入地球引力范围而被地球俘获的，因此它的成分应当和原太阳系中气体的丰度基本相似。当时大气中氢的重量约为全球固体部分镁、硅、铁、氧四种元素总重量的400倍。而这四种元素是今日地球固体部分的最多组分，可见那时大气中含氢量之多了。

另外科罗拉多大学新的研究成果显示，早期地球大气中氢的浓度可能高达40%，氢流失的速度也相当于现在的百分之一。研究人员在论文中解释道，地球大气中最早的氢是由火山喷发带来的，其流失的速度和大气层最外围逃逸层的温度有关。逃逸层温度越高，氢流失得

越多。传统学说认为早期地球大气逃逸层的温度在800摄氏度以上，而田丰等人考虑到大气层中不同成分对太阳辐射热的吸收，认为这一

温度可能只有300摄氏度左右。因此，大气中氢的逃逸速度远远低于传统估计。再者，从地球上生命的诞生离不开氢来看，如果按照传统学说，早期地球大气层中的氢流失很快，不足以产生生命最早的有机成分———氨基酸，所以科学家们多年来一直在思考地球上氢的来源，比如火山喷发、海底气孔喷发、甚至彗星等。而按照新的研究成果，地球自身产生的氢就足以弥补流失到宇宙中的部分，维持大气中的高

浓度氢。

所以，地球原始大气以H2、CO为主，该结论已被众多科学家所

证实和接受，对人们认识、研究地球大气演化历程以及地球上生命的诞生等具有重大意义。

参考文献：

【1】全球变化，张兰生等著，高等教育出版社。

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