地球大气层的变化

2.地球大气层的变化

随着地球的演化，大气层的成分与温度逐步变化到适合生命产生的条件；反过来，生命的存在也使大气层发生了一定的变化。

地球演化的最重要的方面之一是大气的形成，因为正是这种气体的集合物使得生物能从海洋中缓慢地移动出去，并能继续生存下去。从20世纪50年代以来，研究人员就提出假说，认为地球大气是由来自地球内部的气体所形成的，当火山喷出气体时，就是地球的所谓连续脱气的例子。但科学家们对这种脱气过程是在距今约44亿年时突然发生（那时地核刚分异出来），还是随时间而逐渐发生的问题尚存疑问。

为了弄清楚这个问题，还是采用测定同位素的方法（大气中稀有气体和火山熔岩中小气泡中的稀有气体氩、氙的同位素），其计算结果表明：80%到85%的大气都是在最初的100万年期间脱气产生的，其余的大气是在以后的44亿年期间内缓慢而不断地释放出的。

原始大气成分中最肯定具有优势的是二氧化碳，氮是另一个最丰富的气体，还含有微量的甲烷、氨、二氧化硫和盐酸，但没有氧。除了含有丰富的水外，原始大气类似于金星或火星的大气。这种大气含有相当多的像氨和甲烷之类的气体，足以产生有机物质。

随着地球的演化，大气中的成分发生很大的变化，即二氧化碳比例的下降。二氧化碳从大气中转移到地表的岩石中。地球的二氧化碳目前埋藏在像石灰岩之类的碳酸盐岩石中，尽管目前并不清楚二氧化碳是何时被转移到岩石中的。今天的碳酸钙主要是在生物活动期间形成的，在太古代时期，碳可能主要是在无机反应过程中被转移的。

地球的快速脱气从地幔中释放出大量的水，形成海洋和水文循环，那时很可能存在于大气中的各种酸侵蚀岩石，从而形成富含碳酸盐的岩石。然而，这一机制的相对重要性是有争论的。亨里奇·郝兰德认为在太古代时期大气中的二氧化碳量很快减少并停留在低水平上。查明早期大气中的二氧化碳含量对理解控制气候的机制是至为关键的，两个有时是相互争论的阵营提出了有关这一作用是如何进行的观点，第一个阵营认为全球温度和二氧化碳是受若干无机地球化学反馈作用所控制的，而另一个则断言它们受生物排除作用的控制。

詹姆斯·沃尔克、詹姆斯·卡斯廷和保罗·汉斯于1981年提出了无机模式，他们认为在太古代开始时二氧化碳的含量是高的并且也未急剧下降。这—三人小组提出：随着气候的变暖（在太古时代大气中由于有二氧化碳也有温室效应，使气温升高），更多的水会蒸发，水文循环将变得越来越强有力，从而增大降水和径流；大气中的二氧化碳同雨水混合形成碳酸径流，从而使地表的矿物受到风化作用；硅酸盐矿物同大气中的碳相结合，就将碳结合在沉积岩中。大气中二氧化碳较少又意味着温室效应较小，这种无机负反馈过程抵消了太阳能量的增加。

第二阵营提出了第二种模式——生物排除模式。一位创始人詹姆斯·拉夫洛克提出的一种理论认为像浮游生物之类的光合微生物在富二氧化碳环境中有着很高的繁殖力，它们将二氧化碳转变成碳酸钙沉积物从而缓慢地将其从空气和海洋中排除出去。当时，有一种叫“盖亚”假说：地球上的生命有着调节温度和地表成分的能力，从而能使之适合于生物的生存。在更近的时候，泰勒·沃尔克和大卫·施沃茨曼提出另一种盖亚式的解决办法。他们指出细菌通过分解有机物质和产生腐殖酸能增加土壤中的二氧化碳含量，这两种活动都能加速风化作用，从而将二氧化碳从大气中排除出去。

碳的问题对生物如何影响大气的情节仍然有着决定性的意义，对于形成大气氧富集（某些生命形态发育的前提之一）这一至关重要的作用来说，碳的埋藏是一个关键。此外，由于人类排放氧化碳，全球变暖作用目前可能正在发生。在1～2亿年期间内，海洋中的藻类产生出了氧，但是由于氧是高度活性的气体以及古代海洋中有许多还原矿物（例如很易被氧化的铁），因此由活生物产生的大部分氧在其可能到达大气圈之前就已被消耗完了，何况在大气圈中它还可能遇到能与之起反应的一些气体。

即使一些进化过程在无氧气时代产生出更复杂的生命形态，它们也不会含有氧。此外，只要它们一离开海洋，未被大气所滤掉的太阳的紫外光也可能会杀死它们。像沃尔克和普雷斯顿·克劳德这样的研究人员提出：只有在大约距今20亿年的时候，在海水中的大多数还原矿物已被氧化之后，大气氧才的确富集起来了。在距今20亿年到10亿年之间，大气氧含量达到了现代水平，从而为进化着的生物提供了一个生态位。

亨兰德研究了诸如氧化铁或氧化铀之类的某些矿物的稳定性之后，证明了在距今20亿年之前的太古代大气中的氧含量是低的。现今的一致意见是，目前的氧含量（20%）是光合活动的产物。然而，问题是大气中的这一氧含量是随时间逐渐增加的还是突然增加的，最新的研究表明，氧的增加是在距今21亿年到20.3亿年之间突然开始的并在距今15亿年的时候达到了今天的含量。

大气中氧的存在对于试图生活在地表附近或地表之上的生物来说还有另一主要的好处，因为它除去了紫外辐射。紫外辐射能使许多分子分解——从DNA和氧到能影响平流层臭氧损耗的氯氟烃类。紫外辐射能量能将氧分子分解成很不稳定的原子形态O，后者又能结合成O₂和一种很特殊的分子O₃（即臭氧），臭氧本身又吸收紫外辐射。只有在大气中的氧丰富到足以使臭氧形成之后，生命才有可能植根于或立足于陆地上。生命从原核生物（无细胞核的单细胞生物）快速进化到真核生物（有细胞核的单细胞生物）和后生生物（多细胞生物）也刚好发生在氧和臭氧存在的这10亿年之久的时代，这种情况并不是一种巧合，它完全得益于大气在这一时期达到了相当稳定的氧含量。

由不同气体相对浓度所表示的大气成分受到地球上生命的强烈影响。早期大气的水和二氧化碳的浓度相当高，而且某些专家认为还有高浓度的甲烷、氨和氮。在生物出现之后，对我们的生存也是必不可少的氧就越来越多了，在今天的大气中仅有微量的二氧化碳。

大气演化过程中，有一很有兴趣的问题，即大气温度随历史发展的变化也反映了气候的变化，这些都与生物的进化有密切关系。不同的地质纪，有不同的气温，因而也有不同的生物品种存在。从距今4亿年时开始，对当时的温度估算相对地说要比较稳定，各个纪的地下化石已能较丰富地保存下来。随着气候（主要是温度）的变化，生物会发生变化，其次序也很明显，由开始的原汤状态到出现藻类、叠层石、水母等原始生物，接着出现带刺鱼、鱼甲龙，然后从海洋爬上陆地，再进入到恐龙时期，最后发展到哺乳动物，以至最后发展到人。