为什么地球有如此非凡的大气

做一次深呼吸，你刚刚吸入了大约2.6×1022个气体分子，主要是氮和氧。但如果你有机会站在早期地球的表面吸一口气，你将吸入极为不同的2.6×1022个分子，主要是二氧化碳和二氧化硫。（此后你也吸不了很多口了。）空气在很大程度上无法为我们的视觉和心灵所感知，但它的存在是一个奇迹，使地球区别于我们所知的其他星球。

从体积上说，今天地球的大气由大约78%的氮气、21%的氧气、1%的氩和不定量的水蒸气所组成。此外，还有少量二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳、甲烷、氦、氖、氪，和更少量的臭氧、过氧化氢、氙、氡、氮氧化物，以及氯氟烃这类人造的工业污染物。

这一组成迥异于大气刚刚形成时情形。很早以前，地球可能被地球形成时留下的一层稀薄的大气（主要是氢）所包裹。但这种“原初大气”没持续多久就被一阵阵太阳风扫入了太空。因此，在讨论今天的空气的起源时，我们可以将它排除在外。

地球很快就获得了第二种大气，从一个看起来不大可能的来源——它自身之中。火山排出了一些较重的气体，这些气体在地球引力的牵引下无法逸入太空。彗星和小行星的撞击可能也为大气增加了一些气体。因此，今天地球上的大气是从地球放的屁和太空打的嗝演化而来的。

这第二种大气很是稠密，令人窒息，主要由蒸气、二氧化碳和二氧化硫组成。我们知道这一点是因为它们是今天火山喷发出来的主要气体。火山极为活跃，大气压可能是其如今水平的十倍，这解释了为什么早期的海洋没有蒸发进入太空。

随着阳光将二氧化硫和水这类分子分解，氧开始缓慢积聚。但它仍是大气中一种不重要的成分，直到很久以后。

数十亿年来火山喷发出来的碳和二氧化硫混合物是如何演化成一种主要由氮和氧组成的大气的呢？答案有两个：第一，大量二氧化碳溶解在海洋中，最终沉积下来形成石灰石。第二，生命出现了，从根本上改变了大气的成分。

原始烟雾

起初，生命对大气的主要贡献是甲烷，这是原始单细胞有机物将能量从氢和二氧化碳中释放出来时产生的一种废物。大约在37亿年前，一场“甲烷危机”甫一开始就几乎毁灭了地球上的所有生命。排放甲烷的微生物使大气中充满了一种烟雾，几乎将太阳遮住。

下一个重大变化是发生在约23亿年前的大氧化事件。这场剧变在大约10亿年前就埋下了种子，当时，一些微生物进化出一种从阳光中获取能量的新方式，被称为光合作用。由此产生的废物之一是此前地球上很罕见的一种毒性很大、反应剧烈的气体——氧气。

最初进行光合作用的生物并未将这种有毒废物直接排入空气，而是将它安全地封存在铁化合物中。结果产生了被称为“条带状铁矿”的铁氧化物层，在世界各地约15亿到30亿岁的岩石中可以看到。

但随后进化出了能够忍受游离的氧气的光合生物。它们将有毒废物直接释放到空气中，而不再费力将其封存起来，这样做的一个附加好处是消灭了许多竞争者。氧气开始在大气中积聚，从大约1%上升到了10%或更多。

大氧化事件也被称为氧气大灾难，因为它几乎毒死了所有生命。好在一种被称为呼吸的利用氧气的方法被演化出来，使局面化险为夷。

大氧化事件还导致了另一场灾难。光合作用吸收了大气中的温室气体二氧化碳，并最终将其封存在沉积岩内。与此同时，氧气与威力更大的温室气体甲烷发生反应。这些因素共同使世界进入了被称为“雪球地球”的全球冰河时代，历时约4亿年，直到一次火山活动产生的巨大脉冲作用使大气重新充满温室气体。也许是由于光合作用几乎停止，雪球似乎又把氧气含量拉回到很低的水平。但随着冰的融化和生命的反弹，大氧化事件再次发生。

其他星球的空气

如果你想要一颗拥有大气的岩石星球，地球可谓尽善尽美。火星几乎没有大气——只有一点二氧化碳，气压不到地球上的百分之一。这在很大程度上是因为火星比地球小，它的引力不足以保有大气层。水星更小，也更缺少大气。而金星则走到了另一个极端：它被包裹在炽热而稠密的火山气体云和硫酸中，那里的气压几乎是地球上的100倍。但在金星表面70公里以上，大气十分温和——有着充足的阳光和水，同地球类似的气压和温度——也许正好适合生命。

生命的呼吸

不过，这也不全是坏消息。大约10亿年前，通过形成臭氧保护层，大氧化事件最终使这个星球变得宜居。随着这场大戏的展开，不活泼的氮气不断从火山中喷发出来，由于无所事事，无处可去，逐渐成为大气中占比最大的气体。到了大约6亿年前，大气组成已经与我们今天所熟知的大致相同。

受到生物、地质和化学过程复杂的相互作用的影响，大气的组成和密度会随时间而变化。例如，大约3亿年前，大气中的氧气含量达到30%的峰值，飞虫甚至能长到一米长。但在过去5亿年里，空气的成分基本上与我们现在呼吸的一样。