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由于自身引力的存在，對于大部分行星和衛(wèi)星而言，它們都會有一個大氣層，但在太陽系內(nèi)，我們找不到一顆可以讓我們自由呼吸的星球。

這些行星或者衛(wèi)星的大氣層要么十分稠密，要么十分稀薄，而且它們幾乎都沒有氣態(tài)氧氣的存在。

現(xiàn)在的地球大氣層擁有21%的氧氣和78%的氮氣，而且不是特別稠密，無論是動物，還是植物都比較適合這樣的大氣成分和大氣壓。

那么為什么只有地球大氣層擁有這樣海量的氧氣呢？或者說地球的大氣層是如何演變的，它為什么和其它星球會如此不同呢？

地球上曾經(jīng)的大氣不像巖石那樣容易留下證據(jù)，要重塑地球大氣層的歷史會更加的困難，不過一些證據(jù)可能提供參考，包括氣體和地球巖石的相互作用，以及其它行星現(xiàn)有的氣體情況。

捕獲氣體時期

現(xiàn)在科學(xué)界普遍認(rèn)為，太陽系起源于太陽星云，它是由氣體和塵埃組成的“散裝材料”，其中最豐富的兩種物質(zhì)是氫和氦。

關(guān)于太陽星云最終變成太陽系的假設(shè)，現(xiàn)在已經(jīng)有許多證據(jù)，其中包括獵戶座星云 (M42)中心2.5光年區(qū)域內(nèi)被觀察到的700多顆年輕恒星，以及150 多個原行星盤——這些原行星盤很可能會誕生新的行星系統(tǒng)。

當(dāng)?shù)厍驈脑行潜P中誕生并且變得足夠大之后，它的引力可以吸引周圍的物質(zhì)，許多氫和氦會被收入囊中。

但即便如此，最原始地球的大氣層并不是這兩種氣體組成的。

這是因為氣體分子的運動速度與它的質(zhì)量和溫度有關(guān)系，而當(dāng)時的太陽和地球都很熱，所以這些氣體分子很容易達(dá)到逃逸速度。

現(xiàn)在地球高層大氣的溫度在1000-2000攝氏度之間，考慮到在2000 K（大約1727℃）的溫度下，分子量大于10的化合物分子的平均速度才小于11.2km / s（地球的逃逸速度），氫氣和氦氣的分子量分別是2和4，所以它們基本很難被留住。

現(xiàn)在主流的觀點認(rèn)為，最原始地球的揮發(fā)性物質(zhì)主要是含氫化合物（氦是惰性氣體不容易以化合物形式保留），比如甲烷、氨、水等，這些氣體都在氣態(tài)巨行星上大量存在的；另外包括一些分子量大于10惰性氣體，比如氖等，這些地球現(xiàn)在依然存在的稀有氣體。

地球自己的排氣

按照“原行星盤”的形成理論，太陽系早期擁有許多的“行星胚胎”，最原始地球只是其中之一，它繼續(xù)在“吸積”和碰撞中不斷成長變大。

一些科學(xué)家認(rèn)為，現(xiàn)在的火星是唯一幸存下來的 “行星胚胎”，因為相對于它的軌道，火星太小了。

“吸積”和碰撞會釋放出巨大的能量，這讓早期的地球變成了一個“巖漿海洋”，在被一顆被稱為忒伊亞的原始行星撞擊后，甚至整個星球進(jìn)入熔融狀態(tài)。

而太陽星云最初的揮發(fā)性物質(zhì)的分子不僅以大氣形式被捕獲和流失，有一些還會覆蓋在巖石材料的固體顆粒表面。

當(dāng)這些固體在碰撞后熔融時，吸附在上面的氣體就會揮發(fā)成為最初的大氣層，地球形成后或者說太陽系趨于穩(wěn)定后，地球的第一個大氣層就是這些揮發(fā)性物質(zhì)制造的。

那么這會是一個什么樣的大氣層呢？

首先，“巖漿海洋”所釋放的氣體和現(xiàn)在火山噴發(fā)出來的氣體是不一樣的。

我們現(xiàn)在的火山噴發(fā)會噴發(fā)出二氧化碳和二氧化硫等氣體，這其實是因為吸附在巖石上的這些氣體在地球內(nèi)部高溫下被重新釋放了出來，并隨著火山噴發(fā)進(jìn)入大氣層。

但是早期的地球材料吸附的揮發(fā)性物質(zhì)并不是這些，而是從太陽星云那里吸附過來的氣體，所以那時候排的氣體主要還是氫，氦、甲烷和氨等。

由于氦氣是惰性氣體且很容易逃逸，所以基本不需要考慮它，當(dāng)我們考慮剩下的這些氣體時，就必須確定地球的含氧情況，因為這些物質(zhì)都會和氧反應(yīng)。

這一點，科學(xué)家是通過現(xiàn)在地幔樣本來確定的，其中的關(guān)鍵便是看有多少氧與鐵元素化學(xué)鍵合。

通過現(xiàn)有的樣本，2020年的時候，科學(xué)家模擬了早期地球的大氣層[1]，它很可能是一個含有97%二氧化碳和3%氮氣的大氣層，這可能就是地球冷卻后第一個相對穩(wěn)定的大氣層了。

但是讓人意外的是，第一個大氣層的大氣壓大約是今天的 70 倍。

說到這里不知道你想到了什么？

其實， CO2 與 N2 的這個比例與現(xiàn)在金星上的大氣層是非常相似的，加上這樣超高的大氣壓，早期的地球很可能和現(xiàn)在的金星很像。

如果你要繼續(xù)問為什么地球變成現(xiàn)在這樣，而金星保留了最初的模樣，那么唯一能找到的答案就是金星離太陽太近了，而地球遠(yuǎn)了一點，所以它在之后的日子里發(fā)生了改變。

生物的出現(xiàn)和改造大氣層

我們前面提到的第一個大氣層，兩個主要物質(zhì)是CO2 與 N2，其實在地球冷卻之前水蒸氣的比重會很大，甚至可能比CO2 與 N2還高。

但是，由于地球距離太陽足夠遠(yuǎn)，當(dāng)它冷卻下來后，水蒸氣開始可以在地球上以水的形式存在，并形成了早期的海洋，這點就是關(guān)鍵所在。

因為海洋會吸收二氧化碳，地球的生命可能就是在這個過程中誕生的。

而金星由于距離太陽太近了，加上二氧化碳創(chuàng)造的溫室效應(yīng)，金星的每一個角落，無論白天黑夜都在400攝氏度以上，水永遠(yuǎn)只能以蒸汽的形式存在。

我們前面所說的地球失去和收集大氣的時候，其實很多方面都沒有考慮，比如太陽風(fēng)和光化學(xué)反應(yīng)等過程。

我們知道，如果沒有磁場的存在，太陽風(fēng)會毫不留情地剝離行星的大氣層，在行星質(zhì)量相同的情況下，分子量越大則越不容易被剝離，而水（H2O）是分子量最小氧化物，而且金星還幾乎沒有磁場，所以現(xiàn)在它上面的水分子已經(jīng)所剩無幾。

而地球冷卻后，較重的元素——熔融的鎳、鐵進(jìn)入了核心，在自轉(zhuǎn)下產(chǎn)生了磁場，牢牢鎖住了大氣層和水蒸氣。

當(dāng)生命開始在海洋中形成的時候，地球的大氣層進(jìn)入了生命改造時代。

生命改造地球大氣層主要包括兩個方面，一個是主流的碳循環(huán)，一個是可能發(fā)生過的氮循環(huán)。

2016年的時候，科學(xué)家在澳大利亞27億年前的熔巖中發(fā)現(xiàn)了一些包含過去大氣成分的氣泡，如果這些氣泡代表過去的大氣成分的話，那么可以判定當(dāng)時的大氣層濃密程度只有現(xiàn)在的一半，其中主要減少的就是氮。

當(dāng)時科學(xué)家給出的解釋是一些細(xì)菌可以“固氮”，就像現(xiàn)在的植物把二氧化碳變成不揮發(fā)的糖一樣。

不過，這項研究或者發(fā)現(xiàn)并沒有得到主流科學(xué)的認(rèn)可，畢竟唯一的證據(jù)只是27億年前的氣泡而已，而更多的證據(jù)是指向早期地球的大氣層比現(xiàn)在更濃密。

關(guān)于碳循環(huán)最重要的就是光合作用，以及地球本身的活動（如火山噴發(fā)），而至關(guān)重要的一次“改革”就是大氧化事件。

大約在25億年前，藍(lán)藻進(jìn)化出光合作用，它們吸收二氧化碳，并把氧氣以廢氣的形式排出。

地球大氣中本來最多的二氧化碳，在海洋吸完，植物吸，一來二去反而被消耗殆盡，而地球的大氣層也變成現(xiàn)在這種以本來只占3%的氮氣為主，以及氧氣為輔的成分。

地球大氣層成分的變化其實還挺有趣的，我們現(xiàn)在大氣這么適合生命生存，但其實它是生命自己創(chuàng)造的。

或許用微生物去改變別的星球環(huán)境確實有可能，就是不知道這個周期會怎么樣？

參考資料：

[1]https://theconversation.com/ancient-earth-had-a-thick-toxic-atmosphere-like-venus-until-it-cooled-off-and-became-liveable-150934

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