大气圈的前世今生

1.2.2　大气圈的前世今生

地球演化主要是地球各圈层的演化以及各圈层演化的耦合（相互作用）关系。地球的演化可分为古大气圈的演化、古水圈的演化、古生物圈的演化和古岩石圈的演化等，分析大气圈的演化必然需要结合其他圈层尤其是生物圈的进化历程。通常依据生物演化的阶段，人们把地球演化史划分为3个最高级别的地质年代单位:太古宙、元古宙和显生宙（动物具有外壳和清晰的骨骼结构阶段）。在显生宙中，再根据生物界的总体面貌划分为3个二级地质年代单位:古生代、中生代和新生代。最常用的三级地质年代单位是纪，每个纪的生物界面貌各有特色（表1.2）。在地球演化的漫长时间里，大气圈也在演绎着它的故事。自地球形成后的大约46亿年以来，地球大气的演变可分为三个阶段:原始大气、次生大气和现代大气。

1.2.2.1　原始大气

地球曾经是一个熔融的球体，外面包围着一层原始大气，其主要成分是氢气、氦气，并含有氮气、水蒸气和二氧化碳等。原始大气伴随着地球的诞生而出世，也就是星云开始凝聚时，地球周围就已经包围了大量的气体了。但由于太阳风，使得原始大气的气体分子具有超越逃逸地球的速度，地球气体全部从地球表面逸散光。那时的地球可能一度像现在的月球一样没有遮拦。

表1.2　地质年代表（刘本培和蔡运龙，2000）

1.2.2.2　次生大气

随着地表温度的下降，地球表面发生冷凝现象，而地球内部的高温又促使火山频繁活动，火山爆发时所形成的挥发气体，就逐渐代替了原始大气，而成为次生大气。次生大气形成时，水汽大量排入大气中，当时地面温度很高，大气不稳定对流的发展很旺盛，强烈的对流使水汽上升凝结形成液态水，出现江、河、湖、海等水体，风雨闪电交加。

次生大气笼罩地球的时间从大约距今46亿年前到距今20亿年前后。那么次生大气的主要成分是什么呢?由于次生大气主要来自地球内部，由火山喷发产生，可以假设过去的火山活动与现在的火山活动，所喷出来的气体在成分上是大体一样的。按现代火山喷发的成分推测，次生大气可能主要是由水汽、二氧化碳、甲烷、一些氮和硫的化合物组成的（表1.3）。与现代大气最重要的区别在于，次生大气中没有游离态的氧，即使有也不能保留。当时地面温度很高，地壳中有很多金属铁，氧将很快和金属铁反应形成氧化铁。

表1.3　夏威夷火山气体的成分（郝新，2009）

次生大气的存在可能是地球上生命起源的必要准备。生命的起源是自然科学的基础理论问题之一，尽管生命起源研究的众多内容仍远未找到答案，但在原始地球条件下，从简单的生命小分子开始到生命相关大分子的合成，到最终实现一个能自复制分子体系形成，生命起源的每一个阶段必须与原始地球的天文学、地质、大气和海洋等演化的历史相吻合。恩格斯（F.V.Engels）第一次提出生命化学进化的思想，奥巴林（A.I.Oparin）以此为指导，结合地球史的研究成果，指出在原始的不同于今天的大气条件下，在漫长的岁月里，非生命物质可以转化为生命。1953年，米勒（S.L.Miller）把甲烷、氨、氢和水蒸气等放入玻璃容器中，通过火花放电，首次得到了以氨基酸为主的多种有机物质，证明生命的构造成分之一氨基酸可以由存在于地球大气中的简单化学物质通过闪电的作用合成。

生命的起源和演化可能在太古宙早期（距今46亿～38亿年前）就完成了。在格陵兰距今38亿年前的太古宙沉积岩中，人们发现了由非生物途径合成的碳氢化合物，这一重大发现被认为是生命化学演化的结束和生物演化的开始。在南非巴布顿地区和澳大利亚西部的燧石层中发现了球状和棒状的单细胞细菌化石，其同位素测定的年龄分别是38亿年和35亿年。这类原核生物没有细胞核膜的分异，不能自己制造生物，主要靠分解原始海洋中丰富的有机质和硫化物以获得能量，并营造自身。在现代洋底热泉喷口附近200℃～300℃热水中，就发现存在与这类生物相似的嗜热微生物。

1.2.2.3　现代大气

次生大气转化为现代大气的过程与生命现象的发展关系密切。因为海洋中特殊部位（类似洋底热泉喷口附近）有机物和硫化物的生产量有限，当异养生物繁殖到一定程度而面临食物危机时，环境压力促进了生命物质的变异潜能，从而演化出厌氧自养原核生物。尤其是能进行光合作用的蓝细菌，可以还原二氧化碳产生氧气并合成有机物。在生态方式上也转变为浮游于海洋表层，从而可以扩散到全球海洋和陆地边缘浅水带。在苏必利尔湖北岸距今20亿年前的燧石层中出现的8属12种菌藻类微生物化石，就是这种生物的典型代表。

海生藻类的光合作用引起大气游离态氧的增加，使还原性大气圈逐渐演变为氧化性大气圈。当大气中氧逐渐增加时，就导致了高层大气中臭氧层的形成，从而过滤掉太阳辐射的紫外部分。随着臭氧层的发展，透过大气到达地面的紫外线愈来愈少，逐渐使水下的植物移向水面，最后出现在陆地上。随着大气中含氧量逐渐增加，喜氧生物逐渐代替了厌氧生物的主体地位，有效呼吸获得能量的高效使得生物提高了新陈代谢速度，导致了细胞核与细胞质分化的真核生物出现。在我国燕山山脉中的蓟县串岭沟地区发现了距今17.5亿年的真核生物。从全球化石分布来看，真核生物在全球的繁盛大约在距今10亿年前后。真核生物继续进化，生命出现了有性生殖、多细胞体型特征，并开始了动、植物的分异。

植物的出现和发展使大气中氧含量快速增多起来，动物的呼吸作用使大气中的氧和二氧化碳的比例得到调节。自距今4亿年前开始，大气圈中氧气的含量接近现代水平。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。虽然从火山喷发出来的氮气，有部分进入到地壳的硝酸盐中，但是由于氮气的化学惰性，并且在水中不易溶解，所以大部分仍保留在大气中，因此氮气的含量在大气中就逐渐占了很大的比例。在大气圈与地球系统其他圈层的相互作用下，次生大气逐渐转变为现在地球大气以氮气和氧气为主要成分的状态。