地球：不需要空气面罩

尼尔·阿姆斯特朗在月球上行走时，在阳光明媚的日子里仰望晴空， 看到的是漆黑天幕中的满天星星。他需要穿着太空服以免窒息，同时保护耳鼓不胀破，皮肤不被致命射线伤害，因为围绕地球的月球上没有大气层

（探测结果表明月球上的大气层实际上极其稀薄，约为地球的一万亿分之一，而实际上月球表面没有空气）。

并非只有围绕地球的月球是这种情况。在围绕行星运行的 60 多个卫星中，只有土星的土卫六和海王星的海卫一两个卫星上有大气层。相比之下， 只有一个行星即水星没有大气层。阿姆斯特朗和我们不用着太空服就能生存的地方只有一个，那就是地球。我们的星球为何这样得天独厚？

大气（atmosphere）一词源自希腊，意思是“蒸汽球”。拿现在尚拥有蒸汽球绕其运行的行星或月球来说，它必然在过去某个阶段获得这些水蒸气，并且能将它继续保持 40 亿年以上的时间直到现在。太阳系的形成能帮助我们了解大气层形成过程。

大气层的形成

太阳系最初是大片尘埃和气体，叫星云。这些气体主要是氢气(90%) 和氦气(9%)，其余 1%是氧、碳、氮、氩、硫、硅、镁、铝、铁和镍等元素的混合物。在自身重力的影响下，太阳星云凝聚。中间部分聚集了最大的质量，演变成太阳，它反映了原始星云的成分主要是氢和氦。太阳星云的其他区域分裂成许多块，凝结成行星及其卫星。许多元素化合成化合物组成行星或类似行星和很多卫星的坚石材料。就气体组成而言，氧十分活跃， 化学性质不稳定，和氢结合为水蒸气。剩余的氢（氢是宇宙中最丰富的元素）和氮结合为氨气，和碳结合为甲烷。这些过程结束后，还剩下较多氢。氦和氩特别不活跃，化学性质稳定，不和其他元素反应。

图 1 中的等式总结了行星及其卫星生成早期，气体间发生的一系列活动。

1. 氢 ＋ 氧—→水分子2H2(g) O2(g) 2H2O(g)

2. 氢 ＋ 氮 —→ 氨 3H2(g) N2(g) 2NH3(g)

3. 氢 ＋ 碳—→甲烷2H2(g) C(s) CH4(g)

图 1

那时的太阳系仍处于初期。行星及其卫星的材料仍不断收缩。作为原始大气的一部分或后来的化学反应所形成的大部分气体混合物都被吸收到这些天体的坚石成分中。由于重力不断地挤压，这些气体向外渗透，就像从海绵中挤出的水一样，它们包围着行星及其卫星的固体部分，用气体包围层即大气层将其覆盖。大气层主要成分是氢、氦、氨、甲烷和水蒸气（早期演变过程中的地球也有这种大气层）。水星和大部分卫星为何会失去大气层？

大气层的保持

大气层的形成和保持都是十分重要。行星或卫星能否抓住组成大气层的分子并且阻止其进入空间取决于以下多项因素。

天体的质量和大小

质量和大小决定了天体的表面重力，或天体表面重力引力。行星或卫星的重力吸引气体分子（这个过程是看不见的），阻止分子的逃逸。在地球上，气体分子只有在达到 7 英里/秒（11.2 公里/秒）的速度时才能克服重力引力进入空间。这就取决于地球的表面重力和逃逸速度。

一般来说，质量越大物体越小，表面重力和逃逸速度越大。因为表面重力是天体质量及其中心到表面距离的函数。如果两颗行星大小相同，质量越大，表面重力和逃逸速度越大。如果质量相同，则体积越小表面重力和逃逸速度越大。实际上，如果把地球压缩成质量相同但体积锐减的大理石，则其逃逸速度将大到超过光速。地球将变成黑洞。

表 1 列出太阳系九大行星和三个大卫星的逃逸速度（按速度递减顺序排列）：

表 1

从表 1 中可见木星、土星、海王星和天王星都有广阔的大气层，事实也的确如此。土卫六的情况如何？它的逃逸速度比水星低，几乎和围绕地球运行的月球一致，但它也有大气层，而水星和月球则没有大气层。尽管地球的逃逸速度将近是土卫六的 5 倍，但事实上它的大气压力却是地球上

的 1.5 倍。显而易见，保持大气不能只考虑逃逸速度或天体的质量和大小。

温 度

温度也起着很重要的作用，它是一组分子运能的测量。温度高时，分

子运动快；温度低时，则分子运动慢（参见《温度的极限》）因此温度较高的行星或卫星的大气层中有着更多的达到逃逸速度而进入空间的气体分子。这样才能说得通。土卫六尽管表面重力和逃逸速度较小，但拥有一定的大气层，这主要归因于温度。它远离太阳，十分寒冷，大气层的分子运动很慢，比较容易被拉住。冥王星和海卫一尽管表面重力和逃逸速度都较小，但也有大气层，这也归因于温度。反之，水星和月球离太阳近，温度高得多，组成大气层的分子运动太快无法拉住。许多卫星都没有大气层， 都因质量和表面重力太低而无法维持。

气体分子的质量

组成大气层的气体类型对保持大气层也起重要作用。让我们来想象一下一段大气层，其拥有的气体分子像台球桌上的彩球一样随便跳跃。它们碰撞时，发生动能的相互转移。碰撞时，较轻的分子——氢和氦是最轻的气体分子——获得的速度高于质量大的分子。因此，在碰撞时，它们达到逃逸速度的可能性更大。位于大气层外缘的分子不容易和其他气体分子相撞，也将逃逸到空间。

总之，行星或卫星保持大气层的能力取决于（1）天体的吸持力或重力引力，天体质量越大，一般能较好地保持大气层；（2）温度——天体温度越低，越容易保持大气层；（3）组成大气层的分子类型——天体容易拉住质量较大或较重的分子，而不容易抓住较轻的分子。

太阳风现象对保持或失去大气层也起了一定的作用。太阳风是从太阳发出的高速带电粒子流。这些粒子趋于将大气层“吹散”。行星或卫星离太阳越近，受太阳风的影响越大。

地球本身很能说明这一点。前面已谈到，地球形成初期的大气由氢、氦、氨、甲烷和水蒸气组成。在这些气体中，氢和氦太轻无法被地球重力拉住。在地球温度条件下，它们能够达到逃逸速度而进入空间。剩余的分子大且运动缓慢可以将其留住。这样就形成地球最初的永久性大气层，即所谓的第一期大气层，它由氨、甲烷和水蒸气组成。化学家将这种氢（NH3， CH4，H2O）含量高的分子所组成的大气层称为还原大气。

地球大气层的早期演变

组成早期地球、金星和火星的第一期大气层的还原大气的成分很稳定。气体本身不发生相互作用和进一步的化学变化。自然界则提供以外部能量为形式的推力。火山活动释放的热量，闪电释放的电能以及最重要的太阳高能辐射将气体分子变为高能态，使它们变得不稳定。紫外线在这些变化中起着特别关键的作用。紫外线就像敲打分子的小斧子，尤其适合于将水分解成氢气和氧气：

2H2 O( g) 紫外线→2H2(g) + O2 (g )

这个过程就是光解作用（photolysis），来源于希腊词“photo”（光） 和“lysis”（分裂）。

气态氢极轻且十分活泼，将脱离大气层进入空间，在大气层中不复存

在。氧气较重且不活泼，但氧气使大气层的面貌发生很大的变化。尽管氨和甲烷可同时存在，在有水的情况仍处于稳定状态，但在有氧气存在的情况下，变得极不稳定。这时十分有趣。氧分子先和（1）甲烷中的碳和氢结合成二氧化碳和水，再和（2）氨气中的氢形成水，并形成副产品氮气。图2 为这些化学过程的示意图。

1. 甲烷＋氧气—→二氧化碳＋水蒸气CH4(g) 2O2(g) CO2(g) 2H2O(g)

2. 氨气＋氧气—→氮气＋水蒸气4NH3(g) 3O2(g) 2N2(g) 6H2O(g)

图 2

这些反应对大气层的组成会有怎样的影响呢？很简单，甲烷、氨气和水蒸气组成的大气变成二氧化碳、氮气和水蒸气组成的大气。第一期大气层变成了第二期大气层（火山活动也对增加大气层的二氧化碳和水蒸气起一定作用。但还不能断定这种活动对第一期大气层变成第二期大气层的过程所起的作用）。

很难估计实现这种变化所用时间，大约在公元前 40 亿年完成从第一期

大气层到第二期大气层的变化（那时地球已有 5 亿年历史了）。金星现在的大气层主要由二氧化碳、氮气和水蒸气组成。火星的大气也主要是二氧化碳和氮气。地球则与其邻近的行星不同，大气发生了深刻得多的变化。

可呼吸地球大气的成因

我们回溯一下遥远的过去。请带上氧气面罩。因为我们将回到 70 亿年前的地球，当时的大气层是第二期大气层。在太阳紫外线的不断照射下， 水分子分解成氢气和氧气（这就是光解作用）。氢气不断逃逸进入空间， 很像一只充满氢气的气球。剩余的氧气不断影响其他分子，包括地壳的坚硬部分，直到没有其他游离分子为止。所有的甲烷变成二氧化碳和水，而氨气变成了氮气和水。地壳中的硅和铁化合成氧化物。剩余的氧气分子的情况又如何呢？

臭氧的出现。普通的氧气分子是双原子分子：O2。这是我们呼吸的氧气。但是在太阳高能紫外线辐射的作用下，普通氧气变成三原子分子（见图 3）。

图 3

这种 O3 叫臭氧，不能用于呼吸。然而，它有普通氧气所不具有的十分重要的特性：遮蔽太阳产生的大部分紫外线和其他高能射线。

这个过程看来并无太大的差异。然而正如下文还要谈到的，如果没有

臭氧层，地球的人类永远不可能进化。

无论如何，臭氧层是高层大气层中氧气和紫外线作用的结果。臭氧层又反过来阻止更多紫外线的侵入，水分子的光解作用戛然而止。氧气的生成停止，含有可供人呼吸的氧气的第二期大气层得以稳定下来。这很可能就是大气层形成的过程。

实际上并非如此。我们都知道，在大约 30 亿年前的地球上而不是太阳

系或宇宙的任何其他地方出现了一个真正的奇迹。这个奇迹就是叶绿素。通过堪称演变的一系列意外事件，生命体中出现将叶绿素分子聚集在一起的化学机构。随着叶绿素的形成，不需要紫外线，水也可以再次分解成氢气和氧气。可见光就可以完成这项奇特的任务。这就是叶绿素创造的奇迹。这个过程被称作光合作用，数百万年来不断向大气中添加氧气。从水中分离的氢气不再逃逸而和二氧化碳结合成食物分子。

光合作用的最后结果是将二氧化碳、氮气和水蒸气组成的第二期大气层转变成氮气，氧气和水蒸气组成的大气层。这就是人们现在呼吸的大气层：77％～78％的氮气和 21％的氧气（干燥空气）以及不同量的水蒸气（4

％）和各种其他气体，包括氩和二氧化碳。这种大气被称为第三期大气层， 含有大量自由、游离和普通的氧气。化学家将其称为氧化大气层。

地球大气层的形成以及从煤气、氨气和易爆氢气等令人窒息的混合气体变为我们现在可呼吸和维持生命的混合气体这一过程所花费的时间远不止 45 亿年。就我们所知道的宇宙中，只有地球大气层才拥有可呼吸的大气层。通过化学平衡来保持这种状态，堪称十分微妙。燃烧矿物燃料（指煤、石油、天然气等——译注）而造成大气层中二氧化碳过多或臭氧层大大减少都将破坏这种平衡而将伊甸园变成金星那样的熔炉或不断受到致命辐射的火星。我们绝不能让这种局面在地球上重现。

（李明 译）