地球的大气成分中氧气占21%,氮气占78%。与地球相邻的金星大气中几乎都是二氧化碳,占96%,氮气占3%,火星的大气组成与金星差不多,只是更稀薄而已。木星和土星则主要是氢气与氦气。地球何以如此“淡(氮)定”、“气度不凡”?何以“氧(养)尊处优”?
氢气、氦气飞到巨行星上其实最早期,地球与其它兄弟行星一样,大气中主要是由氢和氦组成。目前宇宙中还是以氢(占77.2%)和氦(占20.9%)元素为主,它们是宇宙大爆炸后的产物。太阳系中也大致如此,其中氢占70%,氦占27%。元素周期表中的其它元素主要是通过恒星的核聚变形成。元素,你们从哪里来?行星最初形成时,都是以这两种元素为主,少量氢可能与其它元素结合,但是大部分处于游离氢。由于氢和氦都很轻,小的行星诸如金星、地球、火星等的引力不够大,吸引不了它们,于是它们飞往巨行星诸如木星、土星,投入它们的怀抱。二氧化碳被雨水冲到海洋类地行星大气层中比较轻的氢和氦飞走了,留下的碳、氮、氧等元素,这些元素是大型恒星的聚变反应通过CNO循环过程的产物(图1)。它们很容易与其它元素反应形成水气(H2O)、二氧化碳(CO2)和氨气(NH3)等气体。因此,早期的类地行星的大气层层主要由以上三种气体为主。但是,金星和火星后来为什么以二氧化碳为主?而地球则以氮气、氧气为主?
呵呵,这里要感谢雨水和太阳光,地球形成后降温冷却出现大量的雨水,二氧化碳容易被雨水溶解,进入海洋;而氨气很不稳定,经太阳紫外线照射分解成氢气和氮气,氢气随风而走,留下氮气。经过雨水减碳、紫外线解氨,地球的大气以氮气为主。
金星则没有那么幸运,由于离太阳过近,表面温度过高,没有雨水的洗礼,没有浩瀚海洋的吸收,大气层中的二氧化碳持续增加;与地球类似,太阳光紫外线对氨气的分解作用导致氮气的产生,因此,金星大气层以二氧化碳和氮气为主,而且浓度奇高,其气压是地球的90倍。火星则是另外的情况,早期可能存在雨水,火星一直很火,因为水!水火不相容!二氧化碳被固锁在岩石中。因为火星个头小,冷却快,它已经不活跃了,其实是个“死星”,没有火山将二氧化碳喷出,因此,大气层中尽管组成上还是二氧化碳为主,但是很稀薄,气压不到地球的1%。
图1CNO循环示意图如图1所示,碳12原子核捕获氢核形成氮13并释放伽马射线;氮13释放一个正电子,形成碳13,然后,它再捕获一个质子形成氮14并释放伽马射线;氮14捕获一个质子成氧15并释放中微子核正电子,形成氮15,最后,氮15捕获一个快速移动的质子,形成氦4核和碳12。
蓝藻吃掉二氧化碳,吐出氧气经过减碳、解氨,地球大气层已经演化成以氮气为主,但是还是缺氧,氧从何而来?这要归功于海洋低等生物-蓝藻。届时的海洋聚集了大量的二氧化碳,海洋蓝藻利用太阳光和二氧化碳进行光合作用,释放氧气。氧气最先与海洋中铁离子结合,形成现在地球上主要的铁矿来源。最终,待铁离子吃完后,氧气进入大气,开始增氧。最后,地球大气层演化出以氮气、氧气为主,少量二氧化碳的组成特点。
呵呵,首先归功于地球的质量,它不大不小,太小就像火星一样早早变“死球”,太大像木星一样,大气层中只有氢氦;其次,归功于位置,即它与太阳的距离,太近,可能没有液态水,像金星一样成”地狱之星“,太远,享受不到太阳惠顾,地球可能变成”冰球“;最后,还要感谢蓝藻等远古低等生物,没有他们,就没有我们赖以生存的氧气!