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地球大气演化
地球大气演化 evolution of the earth,s atmosphere
  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4.6×109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),比人类最初出现文字记载的时间约早六个量级(文字出现距今数千年)。所以人类无法获得各阶段的大气样本,只好依靠所发现的地层征迹和太阳系各行星上大气的资料(见行星大气),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,前同星系、太阳系、行量起源相衔接,后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,加上研究其演变所牵涉到的学科很多,除大气科学本身外,和天文学、地质学、生物学、物理学、化学等,都有密切关系,所以要把一鳞半爪的资料串联为在地区上能横向调谐、在时间上能纵向连贯,在各学科研究结果间又能互相补充、互相印证,基本上符合自然发展规律,能科学地说明现在大气成分和结构机理的地球大气演化史,是十分困难的。一些学者提出了地球大气的多种演变模式,这些模式往往由于研究者的主要专业的局限,作资料处理时所强调的方面不同,在许多细节上,难以统一认识,但模式的轮廓仍有其共同性,与细节相比,还是具有一定稳定性的。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。   原始大气  原始大气的形成与星系的形成密切有关。宇宙中存在着许多原星系,它们最初都是一团巨大的气体,主要成分是氢。以后原星系内的气体,团集成许多中心,在万有引力作用下,气体分别向这些中心收缩。出现了许多原星体,愈收缩则密度愈大,密度愈大则收缩愈快,使原星体内原子的平均运动速率愈来愈大,温度也愈来愈高。当温度升高到摄氏1000万度以上时,原星体会发生核反应,出现四个氢原子聚变为一个氦原子的过程。较大的原星体的核反应较强,能聚变成较重的元素。按照爱因斯坦能量(e)和质量(m)方程e = mc2(c为光速),这些聚变过程会伴生大量辐射能,使原星体转变为发光的恒星体。恒星体内部存在复杂的核反应,在氢的消耗过程中,较重元素的丰度渐渐增多,并形成一些更重要的元素,光谱分析的结果是,原子丰度随原子序数增大而减少。   特别巨大的星体,内部核反应特强,能使星体爆裂,形成超新星,它具有强大的爆炸压强,使其中已形成的不同原子量的元素裂成碎片,散布到星际空间中去,造成宇宙尘和气体云,随后冷却成暗云。这样,超新星的每一次爆炸,都进一步使星系内增加更多的较重元素,使星际空间内既有大量气体(以氢、氦为主),又有固体微粒。太阳系是银河系中一个旋臂空间内的气体原星体收缩而成的,因此它包含有气体和固体微粒。太阳系的年龄估计为46~50亿年,银河系的历史约比太阳系长2~3倍。   原太阳系中弥漫着冷的固体微粒和气体,它们是形成行星、卫星及其大气的原料。在原太阳系向中心收缩时,其周围绕行的固体微粒和气体,也分别在引力作用下凝聚成行星和卫星。关于太阳、行星、卫星是否同时形成,尚有不同意见:有的认为是同时形成的,有的认为是先形成太阳,后形成行星及卫星,有的认为卫星是行星分裂出的,也有认为行星和卫星的形成早于太阳。但对地球的形成约在距今46亿年前,则是比较一致的看法。   原始大气的形成  原地球是太阳系中原行星之一。它是原太阳系中心体中运动的气体和宇宙尘借引力吸积而成。它一边增大,一边扫并轨道上的微尘和气体,一边在引力作用下收缩。随着“原地球”转变为“地球”,地表渐渐冷凝为固体,原始大气也就同时包围地球表面。   对原始大气的组分有着不同的看法。有的认为原始大气中的气体,以氢和一氧化碳为主。例如,a.e.林伍德(1973)曾在庆祝哥白尼诞生500周年纪念会上指出,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+co 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。但是据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。根据柯伊伯(1952)的计算,地球最初的大气(见表)是一种以氢、氦为主体的大气。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。  


  对原始大气组分的上述两种看法虽然很不相同,但并不是不能统一。因为即使是原始大气,其组分也是在不断变化着的。在地球形成之初,温度尚不很高,吸积的气体应当符合柯伊伯提出的情况。但当吸积较甚时,温度就会很快升高,这时林伍德所提出的过程就会占优势了。   原始大气的驱散  原始大气存在的时间不太久,仅数千万年。因为年青的恒星一般都要经历一个喷发大量物质流的阶段,即金牛座t型变星阶段。太阳经历这个阶段时,正当地球形成的早期,此时太阳以惊人的速率喷发巨量太阳物质,形成所谓太阳风。它把地球原始大气从地球上撕开,刮向茫茫太空。   次生大气  次生大气的形成  地球原始大气的消失不仅是太阳风狂拂所致,也与地球吸积增大时温度升高有关。温度升高的原因不仅是吸积的引力能转化为热能所致,流星陨石从四面八方打击固体地球表面,其动能也会转化为热能。此外,地球内部放射性元素如铀和钍的衰变也释放热能。上述这些发热机制都促使当时地球大气中较轻气体逃逸。   发热机制除使当时大气中较轻气体向太空逃逸外,还起到为产生次生大气准备条件的另外两种作用。①使被吸积的c1型碳质球粒陨石中某些成分因升温而还原,使铁、镁、硅、铝等还原分离出来,由于它们的比重不等,造成了固体地球的重力不稳定结构。但由于它们都是固体,没有自动作重力调整的可能。②使地球内部升温而呈熔融状态。这一作用十分重要。因为它使原来不能作重力调整的不稳定固体结构熔融,可通过对流实现调整,发生了重元素沉向地心、轻元素浮向地表的运动。这个过程在整个地质时期均有发生,但在地球形成初期尤为盛行。在这种作用下,地球内部物质的位能有转变为宏观动能和微观动能的趋势。微观动能即分子运动动能,它的加大能使地壳内的温度进一步升高,并使熔融现象加强。宏观动能的加大,使原已坚实的地壳发生遍及全球的或局部的掀裂。这两者的结合会导致造山运动和火山活动。在地球形成时被吸积并锢禁于地球内部的气体,通过造山运动和火山活动将排出地表,这种现象称为“排气”。地球形成初期遍及全球的排气过程,形成了地球的次生大气圈。这时的次生大气成分和火山排出的气体相近。而夏威夷火山排出的气体成分主要为水汽(约占79%)和二氧化碳(约占12%)。但根据h.d.霍兰(1963)的研究,在地球形成初期,火山喷发的气体成分和现代不同,他们以甲烷和氢为主,尚有一定量的氨和水汽。   次生大气中没有氧。这是因为地壳调整刚开始,地表金属铁尚多,氧很易和金属铁化合而不能在大气中留存,因此次生大气属于缺氧性还原大气。次生大气形成时,水汽大量排入大气,当时地表温度较高,大气不稳定对流的发展很盛,强烈的对流使水汽上升凝结,风雨闪电频仍,地表出现了江河湖海等水体。这对此后出现生命并进而形成现在的大气有很大意义。次生大气笼罩地表的时期大体在距今45亿年前到20亿年前之间。   现在大气  由次生大气转化为现在大气,同生命现象的发展关系最为密切。地球上生命如何出现是长期争论的问题。А.И.奥巴林(1924)最早提出生命现象最初出现于还原大气中的看法,其后有s.l.米勒(1952)等人在实验室的人造还原大气中,用火花放电的办法制出了一些有机大分子,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。所以这种实验有一定意义。但20世纪60、70年代人们利用射电望远镜发现在星际空间就有这些有机大分子,例如氨亚甲胺(ch2nh)、氰基(cn)、乙醛(ch3cho)、甲基乙炔(ch3c2h)等。他们又曾将陨星粉末加热,发现有乙腈(ch3cn)等挥发性化合物和腺嘌呤等非挥发性化合物。于是认为生命的根苗可能存在于星际空间。但无论如何,即使“前生命物质”来自星际空间,但最简单的最早的生命,仍应出现于还原大气中。这是因为在氧气充沛的大气中,最简单的生命体易于分解、难以发展。   氧和二氧化碳的形成和变化  在绿色植物尚未出现于地球上以前,高空尚无臭氧层存在,太阳远紫外辐射能穿透上层大气到达低空,把水汽分解为氢、氧两种元素。当一部分氢逸出大气后,多余的氧就留存在大气中。在此过程中,因太阳远紫外线会破坏生命,所以地面上就不能存在生命。初生的生命仅能存在于远紫外辐射到达不了的深水中,利用局地金属氧化物中的氧维持生活,以后出现了氧介酶(oxygen-mediating enzymes),它可随生命移动而供应生命以氧,使生命能转移到浅水中活动,并在那里利用已被浅水过滤掉有害的紫外辐射的日光和溶入水中的二氧化碳来进行光合作用以增长躯体,从而发展了有叶绿体的绿色植物。于是光合作用结合水汽的光解作用使大气中的氧增加起来。   大气中氧的组分较多时,在高空就可能形成臭氧层。这是氧分子与其受紫外辐射光解出的氧原子相结合而成的(见大气臭氧层)。臭氧层一旦形成,就会吸收有害于生命的紫外辐射,低空水汽光解成氧的过程也不再进行。于是在低空,绿色植物的光合作用成为大气中氧形成的最重要原因。这时生命物因受到了臭氧层的屏护,不再受远紫外辐射的侵袭,且能得到氧的充分供应,就能脱离水域而登陆活动。总之,植物的出现和发展使大气中氧出现并逐渐增多起来,动物的出现借呼吸作用使大气中的氧和二氧化碳的比例得到调节。此外,大气中的二氧化碳还通过地球的固相和液相成分同气相成分间的平衡过程来调节。   一般在现在大气发展的前期,地球温度尚高时,水汽和二氧化碳往往从固相岩石中被释放到大气中,使大气中水汽和二氧化碳增多。另外大气中甲烷和氧化合时,也能放出二氧化碳。但当现在大气发展的后期,地球温度降低,大气中的二氧化碳和水汽就可能结合到岩石中去。这种使很大一部分二氧化碳被锢禁到岩石中去的过程,是现在大气形成后期大气中二氧化碳含量减少的原因。再则,一般温度愈低,水中溶解的二氧化碳量就愈多,这又是现在大气形成后期二氧化碳含量比前期大为减少的原因之一。因为现在大气的温度比早期为低。   大气中氧含量逐渐增加是还原大气演变为现在大气的重要标志。一般认为,在太古代晚期,尚属次生大气存在的阶段,已有厌氧性菌类和低等的蓝藻生存。约在太古代晚期到元古代前期,大气中氧含量已渐由现在大气氧含量的万分之一增为千分之一。地球上各种藻类繁多,它们在光合作用过程中可以制造氧。在距今约 6亿年前的元古代晚期到古生代初的初寒武纪,氧含量达现在大气氧的百分之一左右,这时高空大气形成的臭氧层,足以屏蔽太阳的紫外辐射而使浅水生物得以生存,在有充分二氧化碳供它们进行光合作用的条件下,浮游植物很快发展,多细胞生物也有发展。大体到古生代中期(距今约4亿多年前)的后志留纪或早泥盆纪,大气氧已增为现在的十分之一左右,植物和动物进入陆地,气候湿热,一些造煤树木生长旺盛,在光合作用下,大气中的氧含量急增。到了古生代后期的石炭纪和二叠纪(分别距今约3亿和2.5亿年前),大气氧含量竟达现有大气氧含量的3倍,这促使动物大发展,为中生代初的三叠纪(距今约 2亿年前)的哺乳动物的出现提供了条件。由于大气氧的不断增多,到中生代中期的侏罗纪(距今约1.5亿年前),就有巨大爬行动物如恐龙之属的出现,需氧量多的鸟类也出现了。但因植物不加控制地发展,使光合作用加强,大量消耗大气中的二氧化碳。这种消耗虽可由植物和动物发展后的呼吸作用产生的二氧化碳来补偿,但补偿量是不足的,结果大气中二氧化碳就减少了。二氧化碳的减少必导致大气保温能力减弱、降低了温度(见温室效应),使大气中大量水分凝降,改变了天空阴霾多云的状况。因此,中纬度地带四季遂趋分明。降温又会使结合到岩石中和溶解到水中的二氧化碳量增多,这又进一步减少空气中二氧化碳的含量,从而使大气中充满更多的阳光,有利于现代的被子植物(显花植物)的出现和发展。   由于光合作用的原料二氧化碳减少了,植物释出的氧就不敷巨大爬行类恐龙呼吸之用,再加上一些尚有争议的原因(例如近来有不少人认为恐龙等的绝灭是由于星体与地球相碰发生突变所致),使恐龙之类的大爬行动物在白垩纪后期很快绝灭,但能够适应新的气候条件的哺乳动物却得到发展。这时已到了新生代,大气的成分已基本上和现在大气相近了。可见从次生大气演变为现在大气,氧含量有先增后减的迹象,其中在古生代末到中生代中期氧含量为最多。   氮和氩的形成  正如现在大气中的二氧化碳,最初有一部分是由次生大气中的甲烷和氧起化学作用而产生的一样,现在大气中的氮,最初有一部分是由次生大气中的氨和氧起化学作用而产生。火山喷发的气体中,也可能包含一部分氮。在动植物繁茂后,动植物排泄物和腐烂遗体能直接分解或间接地通过细菌分解为气体氮。氧虽是一种活泼的元素,但是氮是一种惰性气体,所以在常温下它们不易化合。这就是为什么氮能积集成大气中含量最多的成分,且能与次多成分氧相互并存于大气中的原因。至于现在大气中含量占第三位的氩,则是地壳中放射性钾衰变的副产品。   人类活动对大气成分的影响  地球自形成到现代,经历了原始大气、次生大气和现在大气三个阶段。但现在大气的成分,也不是永不再变的,它将随着今后自然条件的变化及人类活动的影响而发生变化。例如自然界的氮在一定时期内近似地保持平衡。但是人畜的大量繁殖,使大气中自由氮转变为固定态氮的量不断增加。又根据统计,自1950年到1968年,为了生产肥料,每年所固定的氮量约增加5倍,这必然会影响大气中氮的含量。大气中氧和二氧化碳也受到人畜繁殖和人类活动的影响。例如人畜的增多,必增加大气中的二氧化碳而减少大气中的氧。人类砍伐林木必将减弱全球光合作用的过程,从而减少大气中的氧含量,而燃烧和工业活动又有消耗大气中的氧并增加大气中二氧化碳的作用。此外,人类的工业活动还增加了大气中一些前所未有的污染物,它们也影响了大气的组分(见空气污染气象学、人类活动对气候的影响)。   大气分层  不论是原始大气、次生大气或现在大气,由于太阳辐射、大气成分和地球磁场的特点的不同,都具有性质不同的层次。关于地质时期大气圈中的分层情况,可由太阳系其他行星大气的分层而有所推估。现在大气形成后,由于大气成分和地磁场的条件基本上已知,可根据太阳发射的各波长的电磁波在大气中传播时所起的作用不同来分析分层现象。太阳辐射的波长大致可分为四个波段:短于0.1微米的波段,其能量主要来自太阳的色球层和日冕部分,该波段主要对大气起光致电离作用,大于0.1微米的三个波段,其能量主要来自太阳的光球层,其中0.1~0.2微米的辐射占太阳总辐射能的万分之一,有使氧分子光致离解的作用;而0.2~0.3微米的辐射占太阳总辐射能的1.75%,有使臭氧发生光致离解的作用;至于波长大于0.3微米的能量,占太阳总辐射能量的98%,易被水汽和地面所吸收,有照明和转化为热能的作用。   磁层、电离层和中性层  太阳辐射中波长短于0.1微米的部分可深入大气到距地表约90公里以上(白天为约60公里以上),能使大气中的氮和氧等成分电离。如:      n2+hv(λ<0.0796μm)→n娚+e-

   o+hv(λ<0.0910μm)→o++e-

   o2+hv(λ<0.1026μm)→o娚+e-

其中ν 为辐射频率,λ为波长,h为普朗克常数;原子氧由较低层大气中的氧分子受光致离解后向上扩散到距地表200公里以上而得。大体在距地表100公里以下,分子氧离子很多,原子氧离子很少。但在距地表200公里到500~1000公里之间,原子氧离子就比分子氧离子多了。总的说来,从距地表60公里到距地表500~1000公里之间,因大气成分受光致电离较盛,就形成了电离层。在电离层中,中性分子的数密度较大,离子运动受中性分子运动的干扰较大,所以尚难以全受地磁场的控制。但是在距地表500~1000公里以上的大气已很稀薄,其中的电子、质子、离子的运动仅受地心引力和地磁场的控制,很少受到中性分子运动的干扰,因此特称为磁层。太阳辐射中短于0.1微米的电磁波,在从大气顶深入到距地表约90公里(白天约60公里)的过程中,使大气光致电离的同时,也被大气吸收而不断削弱,从而难以透入到距地表60公里以下的大气中,所以60公里以下的大气几乎无光致电离过程,大气保持了中性。形成了中性层。大气圈由于太阳辐射的光致电离,自上而下形成了三个层次,即磁层、电离层和中性层,在距地表约500~1000公里以上为磁层,约60公里以下为中性层,60~500或1000公里为电离层。   热层、中层、平流层和对流层  这四个层次的形成主要同太阳辐射进入大气后产生热效应有关。波长为0.1~0.2微米的太阳强烈紫外辐射,能使距地表约85公里以上的分子氧光致离解(o2+hν→2o),形成原子氧。原子氧扩散到200公里以上的高空,在波长短于0.1微米的紫外辐射作用下,形成了离子,并与自由氧分子交换电子(o++o2→o娚+o),并放出大量热能。另外,氧离子还与氮分子作用,形成氧化氮离子(o++n2→no++n),而氧化氮离子与电子复合(no++e-→o+n),以及分子氧离子与电子复合(o娚+e-→2o),在这些过程中都放热。由于在300公里或以上的高空,大气分子稀少,上述三种放热过程的综合作用,就使高空温度升得很高,达1500°c以上。这样从85公里到约250~500公里高度温度随高度的增加而增高,形成了热层。在500公里以上,因大气中性分子可逸向太空,故称为外逸层。   波长0.1~0.2微米的太阳辐射在距地表85公里以下的大气中,仍能对氧分子起光解作用并形成氧原子。氧原子十分活跃,很易和氧分子结合,组成臭氧。但这种臭氧所含有的多余能量,使臭氧易于分解。但如有第三体m参与碰撞,就可将多余能量带走,使臭氧的结构稳定下来(见大气臭氧层)。在距地表85公里以上,空气较稀,原子氧和分子氧结合时缺乏第三体m的碰撞,难以形成稳定的臭氧。在距地表85公里以下的空间,空气较密,易于发生第三体碰撞(o+o2+m→o3+m),有利于臭氧的稳定。有了臭氧后会发生下列两个放热过程:    o3+o→2o2

     o3+hν(λ0.2~0.3μm)→o2+o

这就使距地表约50公里处出现高温。50~85公里的高度范围内形成一个温度随高度增加而递减的区域,称为中层。通过高层大气而能到达地面的太阳辐射,其波长大于0.3微米。 它在低空仅能起到照明和使地面加热的作用。地面高温和50公里高度的高温之间为相对的低温。在中纬度,相对最低温的大气层距地表约12公里,这即为对流层顶。地面向上到约12公里处,大体上温度随高度而递减,形成了对流层。在12公里和50公里高度之间,气温随高度而升高,形成了平流层。这样,大气圈就形成了对流层、平流层、中层和热层四个热力性质不同的层次。   匀和层和非匀和层  匀和层和非匀和层是从大气组分的角度来区分大气的。其形成与大气的湍流混合强度有关。“匀和”就是大气各组分因湍流而均匀混和,造成组分的百分率上下一致的意思。对流层和中层都是下热上冷的温度结构,所以对流较盛,其间夹有一个下冷上热的较稳定的平流层。但平流层温度向上递增的现象不及其上下层的温度向上递减现象显著,所以把对流层、平流层和中层三个层次综合来看,湍流混和作用还是主要的,只是平流层中的混和现象较弱而已。在中层顶以下,大气由于充分混和,其组分的比例基本上一致。从而就形成了中层顶以下的匀和层。   从中层顶到距地表约 300公里的高度,温度随高度增高得很快,大气层结基本稳定(见大气静力稳定度),无湍流运动,分子扩散运动主要受重力影响,大气中分子量或原子量愈大的气体,其密度向上递减的速率愈快。这就造成高层大气中重组分和轻组分分离、并形成高度愈高则重组分愈少的现象。由于光致离解作用,在高层大气中存在着一些原子气体,自下而上形成了原子氧向上递增区、原子氧区、原子氦区和原子氢区。这种高度不同其主要成分也有变化的气层称为非匀和层。   光化层  在距地表约20~110公里之间的气层中,化学变化较其上或其下的气层为盛,在这层内各高度的大气密度和成分不同,而且流星余烬又使其成分复杂化,太阳辐射的紫外部分的强度,也足以使其中成分发生光分解或光电离等作用,被分解或电离的物质在一定条件下又能互相发生化学反应。例如在平流层中有分子氧光解为原子氧、分子氧和原子氧组合成臭氧、臭氧分解等化学过程,平流层中的臭氧层就是化学过程所造成的。又如在中层有水汽光解为原子氢和氢氧基的过程等。这些化学反应往往随昼夜、季节、纬度和高度而变化,加上湍流和大气环流又可以将反应物带到一起,这又增加了化学反应的复杂性和频繁性。   在光化层以上的非匀和层内,各高度的空气成分比较单纯。由于那里属逆温层,空气较为稳定,没有湍流使各高度不同成分的气体加强混合,而且密度较小,即使在强太阳辐射作用下,也难以发生化学变化。主要发生的只是电离等物理反应。   在光化层以下的气层中,波长短于0.3微米的太阳辐射基本上已被其上气层所吸收,到达的多为波长大于0.3微米的电磁波。它们在低层较密的大气中传播时,仅起到照明和加热等物理作用。这层内仅存在由人类活动所致的污染物造成的大气化学变化。   参考书目  h.u.dütsch,ed.,influence of the biosphere on the atmosphere,birkhuser verlag,basel,1978.  l.a.frakes,climates throughout geologic time,elsevier scientific publ.,amsterdam,1979.  森山茂著:《大気の歴史──原始大気かぅ惑星大気へ一》,东京堂出版社,东京,1981。  j.m.华莱士、p.v.霍布斯著,王鹏飞等译:《大气科学概观》,上海科学技术出版社,上海,1981。(j.m.wallace,p.v.hobbs,atmospheric science: an introductory survey,academic press,new york,1977.)  p.a.dobbins,atmospheric motion andair pollu-tion, j.g.navarra,atmosphere,weather andclimate: an introduction to meteorology,w.b.saunders co.,philadelphia,1979.
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