第一节 大气圈的结构和组成

一、大气圈发展史

45 亿年前，在地球发育的早期阶段，在太阳发射的热量、可见光、紫外线和 X 射线等作用下，C、H、O 与 N 等原子结合成 H3、NH4、CH2 与 H2O 等分子，构成了原始大气的主要成分。

经过漫长的地质时期，到了大约 30 亿年前，原始海洋中的 C 元素在射线作用下与其它元素结合产生了少量的有机分子，例如原始病毒

（protovirus），能从原始海洋“汤液”的有机化合物发酵中获取必要的能量，作为副产品放出 CO2。这是大气圈发育历史中的一个重要事件，为叶绿素的光合作用合成糖创造了条件。

20 亿年以前含叶绿素的生物出现是大气圈发育历史上的另一个划时代的事件，光合作用产生了 O2，这种极其活泼的元素对大气圈进行了一次“氧革命”：它与 CH4 作用生成 CO2 和 H2O，与 NH3 作用生成 N2 和 H2O，在高空中O2 分子相互作用生成 O3。O3 的出现逐渐减弱了紫外线辐射的强度，为更高等的海洋植物出现提供了条件。

大气圈中 O2 含量的这种变化可以从岩石学中找到证据：世界上许多地方

都发现叠层石（stromatolites），这种 20—30 亿年前形成的岩石外表上象一本本揉皱了的书，是古海洋中的河流冲积物在细菌作用下形成的。这个过程现代还在进行，不同之处是现代叠层石是在蓝绿藻作用下形成的，已经氧化；而 30 亿年前的叠层石却未受氧化，这说明当时大气中 O2 很少。

另一个岩石学证据是：现已发现许多有经济价值的富铁岩石是 20 亿年前

形成的。据认为 20 亿年前以还原状态溶解于古海洋中的铁与光合作用产生的O2 结合（氧化）而沉积下来形成岩石。海洋中大部分铁质被氧化、沉积后， 生物所产生的 O2 开始在大气中积累。因此，大气中游离 O2 的浓度在大约 20 亿年前开始明显增加。根据这种理论，地壳中重要的铁矿与大气中的游离 O2 均系生物作用的结果。

值得指出的是，这场“氧革命”的主角竟然是毫不引人注目的低等植物

——蓝绿藻。

古海洋中蓝绿藻长期以来是释放 O2 的主要生物。它与其它生物一样，在光合作用时摄入 CO2，放出 O2，但藻类本身的呼吸作用又吸入 O2，把 CO2 放回大气中。藻类死亡后沉入海底被覆盖后进行不完全的分解，造成 O2 的摄入与释出之间微小的不平衡，使 O2 有所积累。O2 长期积累的结果最终改变了大气圈以及地球的面貌。如果没有生命的活动，则今天大气圈的组成将完全是另一种情况（图 5.1）。

图 5.1 地球大气圈发育史

  1. 目前所知的情况

  2. 假定无生命存在的情况

（资料来源： Botkin and keller， Environmental Study ， 1982）

由此可见，生物圈是在大气圈与水圈、岩石圈的共同作用下产生的，但

生物的出现以及生物圈的形成又深刻地改变了大气圈的组成和其它圈层的面貌，这也是自然界中互为因果的极好例证。