我們每天都在呼吸空氣，空氣對(duì)于我們所有人來(lái)說(shuō)是最熟悉不過(guò)的東西了。但是你了解空氣嗎？你知道空氣是從哪里來(lái)、又是怎樣變成今天的樣子嗎？下面我們就來(lái)講講空氣的歷史。

我們今天呼吸的空氣中，大約有78.08%的氮?dú)狻?0.95%的氧氣、0.93%的氬、0.04%的二氧化碳和痕量的其它氣體?？諝庵羞€含有水，正如我們平時(shí)所見的一樣，水在空氣中的分布并不平均，有些地方的空氣很干燥，云霧中含有大量的水，海洋表面空氣中的水氣濃度大約為1%。平均計(jì)算的話，在整個(gè)大氣層中大約含有0.4%體積的水氣，看起來(lái)很少，但考慮到整個(gè)大氣層的質(zhì)量超過(guò)了5千萬(wàn)億噸，所以空氣中的水也是一個(gè)非常龐大的數(shù)字。

水是地球生命之源，當(dāng)?shù)厍蜃铋_始形成時(shí)，空氣中還沒(méi)有氮?dú)夂脱鯕猓呀?jīng)有了水。

水是生命之源

地球形成之初

宇宙中分布最廣泛、數(shù)量最多的元素是氫。在太陽(yáng)系形成之前的星云里，氫也是最重要的元素之一，它們聚在一起形成了太陽(yáng)、木星和土星，天王星和海王星的大氣中至今都含有大量的氫和氦，最早的地球表面空氣中也一樣有許多氫氣和氫的化合物，比如甲烷、氨氣和水。

與水星、金星和火星一樣，地球是比較靠近太陽(yáng)的內(nèi)行星，它由大量比較重的元素構(gòu)成，而氫、氦這樣輕的元素則大多被強(qiáng)烈的太陽(yáng)風(fēng)吹到了太陽(yáng)系的外圍，構(gòu)成外行星的主要部分?？拷?yáng)的吸積盤中的大量碎屑、塵埃和氣體相互吸引、碰撞、擠壓，逐漸變成小行星、星子，再由星子一點(diǎn)點(diǎn)吸引更多的碎屑慢慢長(zhǎng)大成行星。

行星的形成

地球在慢慢長(zhǎng)大的過(guò)程中由于受到軌道上大量碎塊和小行星的撞擊，加上內(nèi)部物質(zhì)相互間的擠壓、放射性物質(zhì)衰變產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致在最初的幾億年間地球表面火山頻發(fā)，幾乎處于沸騰的狀態(tài)。在這個(gè)過(guò)程中，地下大量的氮?dú)?、水蒸氣和二氧化碳被火山帶到地表，散發(fā)到空氣中，而氫氣由于更輕，它們處于大氣層的最外圍，一點(diǎn)一點(diǎn)地被太陽(yáng)風(fēng)剝離，吹散到太空中。這就是為什么氫氣在宇宙中非常多，而在地球空氣中極稀少的原因。

地球最開始的樣子

氧氣的產(chǎn)生

如果你在27億年前來(lái)到地球，這里依然是沒(méi)有氧氣的。盡管已經(jīng)歷經(jīng)了近20億年的漫長(zhǎng)演化，地球表面依然是死寂的世界，空氣中的氮?dú)鈹?shù)量與今天差不多，二氧化碳的濃度很高。盡管當(dāng)時(shí)的太陽(yáng)沒(méi)有今天亮，也沒(méi)有今天這么熱，但二氧化碳與水蒸氣一樣都是溫室氣體，它們?yōu)榈厍虮亍?/p>

溫室氣體的保溫作用

一個(gè)令人欣喜的現(xiàn)象是，在地球廣闊的淺海區(qū)域和陸地的湖泊中，開始出現(xiàn)大量的原核生物和真核生物，它們是古老細(xì)菌和藍(lán)藻細(xì)菌。這些細(xì)菌不需要氧氣，它們依靠太陽(yáng)的光合作用將空氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣。而當(dāng)它們死亡后就會(huì)沉積到水底，由于水里面的氧氣含量也極低，所以這些有機(jī)沉積物大部分不會(huì)被氧化，它們逐漸堆積，最終形成今天的石油。

古老的藍(lán)藻是地球氧氣的最初貢獻(xiàn)者

盡管有大量細(xì)菌和藻類吸收二氧化碳，每年產(chǎn)生約 15.8 ± 3.3 T mol (1 T mol = 1012 摩爾，1摩爾氧氣=32克，) 超過(guò)5億噸氧，二氧化碳數(shù)量在減少，但在幾億年的時(shí)間里地球空氣中的氧氣并沒(méi)有怎么增加，氧氣去了哪里？

它們被吸收掉了。我們知道氧氣有強(qiáng)氧化性，當(dāng)時(shí)的地球表面，包括海洋中有大量的游離鐵、鐵離子以及其它的金屬離子，這些鐵會(huì)迅速還原氧，形成Fe?O?和Fe?O?，這些氧化鐵不溶于水，它們會(huì)慢慢沉積，最終形成我們今天的磁鐵礦和赤鐵礦。

一塊生成于21億年前的帶狀鐵礦石

直到地球表層的鐵離子和其它容易被氧化的金屬離子都被氧化后，空氣中的游離氧氣才迅速增加，這時(shí)候二氧化碳水平大幅下降，但還沒(méi)有降到今天的水平，因?yàn)檠鯕鈺?huì)與空氣中的甲烷氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生新的二氧化碳和水。

氧氣的危與機(jī)

甲烷是一種比二氧化碳更強(qiáng)的溫室氣體，由于地球空氣中大量的二氧化碳被細(xì)菌和藍(lán)藻消耗、新產(chǎn)生的氧氣又氧化了甲烷，太陽(yáng)光照度又不強(qiáng)，這直接導(dǎo)致24億年前地球表面溫度下降，進(jìn)入第一個(gè)冰河時(shí)期。

巨大的冰山

空氣中二氧化碳的急劇減少、氧氣的大量增加、大量物質(zhì)被氧氣氧化以及由此帶來(lái)的全球氣溫下降，這一系列事件被地質(zhì)學(xué)家們稱為“大氧化事件”。

盡管當(dāng)時(shí)空氣中的氧氣濃度還不到今天的10%，但大量產(chǎn)生的氧氣足以殺死那些厭氧細(xì)菌，因?yàn)樗鼈儾荒茉谘鯕猸h(huán)境中生存，因此“大氧化事件”又被稱為“氧氣災(zāi)難”或“氧氣屠殺”，厭氧細(xì)菌們被它們自己排出的氧氣給憋死了。

好在自然界總是在不斷進(jìn)步著，厭氧細(xì)菌的大量死亡為好氧細(xì)菌、依賴氧氣進(jìn)行細(xì)胞呼吸的真核生物以及多細(xì)胞生物騰出了生存空間。在其后的10億年時(shí)間里，大量動(dòng)植物開始在地球上出現(xiàn)。

石炭紀(jì)森林

氧氣的高峰

在第一次冰期出現(xiàn)之后的10億年間，地球空氣中的氧氣含量基本維持在今天10%的水平，沒(méi)有太大的變化。隨著10億年前地球上開始大量出現(xiàn)植物，空氣中氧氣含量開始飆升，到3億年前的石炭紀(jì)時(shí)期，空氣中的氧氣含量達(dá)到空前的35%水平。

石炭紀(jì)繁盛的生命

我們知道今天氮?dú)馀c氧氣的比例大致維持在4:1的水平，氮?dú)獠换顫?，它在空氣中的含量很少發(fā)生變化，為什么氧氣會(huì)達(dá)到35%的比例呢？一種可能的解釋是，地球陸地繁盛的植物一方面產(chǎn)生更多的氧氣，同時(shí)又通過(guò)固氮作用將更多的氮?dú)夤潭ㄔ诘孛?，從而?dǎo)致氮氧比例的失衡。

氧氣濃度的上升被認(rèn)為是進(jìn)化多樣化的幾個(gè)驅(qū)動(dòng)因素之一，盡管有許多學(xué)者質(zhì)疑這種論點(diǎn)，因?yàn)檠鯕鉂舛扰c進(jìn)化速率之間的一致模式并不明顯。但不可否認(rèn)的是，隨著地球空氣中氧氣的大量增加，生命的繁衍越來(lái)越迅速，生物進(jìn)化的進(jìn)程也大大加快了。

寒武紀(jì)生命大爆發(fā)

在人類工業(yè)化進(jìn)程開始之前，空氣中二氧化碳的濃度呈現(xiàn)逐步減少的趨勢(shì)。隨著地球溫度的緩慢降低，火山活動(dòng)越來(lái)越少，由火山噴發(fā)帶到地面的二氧化碳也一點(diǎn)點(diǎn)地減少。因溫室氣體減少在數(shù)億年來(lái)已經(jīng)引發(fā)多次冰期，冰期反過(guò)來(lái)又抑制植物將二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣的速度，加上大量動(dòng)物和好氧細(xì)菌大量消耗氧氣排出二氧化碳，從而形成氣候的動(dòng)態(tài)平衡。

總結(jié)

我們今天所呼吸的空氣中，絕大部分的氣體并不是一開始就存在于地球表面的，火山噴發(fā)將氮?dú)狻⒍趸己退畮У搅说孛?，水中大量繁殖的厭氧?xì)菌將二氧化碳還原，它們排出氧氣，把碳留在了地下，形成今天的石油。

過(guò)去40億年氧氣變化曲線

空氣中二氧化碳的減少并不意味著氧氣的增加，早期絕大多數(shù)的氧氣與鐵生成鐵礦，直到20億年之后，少量的氧氣才出現(xiàn)在空氣中。

真正為我們今天空氣做貢獻(xiàn)的是5億年前陸地上大量出現(xiàn)的植物，它們一度將氧氣含量推高到35%，與此同時(shí)溫室氣體的大量消耗也帶來(lái)了冰川，使地球變得冰冷。

人類有改變自然的能力，正因?yàn)槿绱?，我們更?yīng)該了解自然，敬畏自然，如果盲目地開發(fā)地球、破壞幾十億年來(lái)形成的自然平衡，災(zāi)難很可能會(huì)降到我們頭上。