表 2.15 大气的主要化学成分①

①据 MasonandMoore，1982。

大气在对流层内成分混合得很均匀，主要成分变化也很小。但是大气内的一些微量成分，特别是与人类活动有关的微量组份，其分布是不均匀的。臭氧的含量随高度而变化。低层大气中还有数量不定的大气微粒，呈胶体状态。它们成因各异，有自然成因，也有人类活动所致（工业烟尘等）。

1. 大气圈的形成和演化

现在多数的观点认为，地球的大气圈是由固体地球内部脱气作用而形成。产生这种看法的主要依据地球的元素丰度和太阳系元素丰度对比以及地球、火星和金星的大气圈成分对比。

地球和太阳系丰度的最大差别在于地球严重缺损各种惰性气体和氢。这一事实是很难根据地球炽热星云凝聚形成学说加以解释的，因为地球重力场的作用下，不可能使得较重的 Ar，Ke，Xe 等重元素脱离地球引力圈而变得亏损。因此，比较容易解释的则是微星尘吸积学说。在吸积过程之前，太阳星云的气态物质就已经消散。目前地球上一些低分子量的气体，如 H2O，NH3， CH4，CO2，H2S，SO2 等并未象惰性气体那样严重亏损，这也说明原始的地球处于低温状态，这些分子或者呈冻结质点，或者与其他组份化合，而保留在地球中，以后地球内部变热，发生部分熔融，产生壳幔等，使其中所含气体释放出来，形成大气圈与水圈。

如果接受类地行星大气圈均由原始行星物质脱气作用形成的假设，并认为金星、地球和火星都是由同种类型陨石物质吸积形成，那么这三个行星的大气圈应该具有相近的成分特征。目前所观察到的金星和火星的大气圈的组份均以 CO2 占主要数量为特征。因此，推测地球早期的大气圈成分也应该以CO2 为主。尽管目前地球的大气圈的主要组份是 N2 和 O2，但有人做过统计分析，如果将海洋和沉积物中呈碳酸盐和有机碳形式被掩埋的 CO2 全部计入大气圈，则 CO2 在地球大气圈中也曾经占过首要组份，只是后来被沉积作用自大气圈中转移出去。

一般认为，地球早期不大可能含游离氧。

游离氧是如何在大气中聚集起来，目前存在一定争议，它可能与绿色植物的光合作用有关，也可能与大气圈上部由于太阳辐射使水蒸汽发生光化学反应产生氧有关。

关于地球大气圈的主要成分究竟何时形成，又怎样发生变化，特别是在各地质历史阶段的变化，以及对地球外层圈生物进化作用的影响并不是十分清晰。目前所提出的一些看法尚不够完整和系统。如关于现存在的大气圈成分，有的认为自古生代以来就保持动态的平衡，没有发生明显的变化。有的则认为，仅仅是新生代后期才开始保持现有的状态。

大气圈成分发生变化的原因是由于自然界始终存在着组份的输入输出过程，向大气圈输入气体的过程有：（1）火山岩浆作用所释放的气体，主要是H2O（蒸汽），CO2，HCl，HF，CO2，H2S，N2，SO2 等。（2）水蒸汽光化学作用产生氧。（3）绿色植物光合作用产生氧。（4）铀、钍放射性蜕变产生 He。

（5）钾放射性提供氩。（6）生物呼吸和有机体腐败提供 CO2 和少量 CH4。输出气体的自然过程有：（1）各种氧化过程，使低价铁氧化成高价铁，硫化物氧化为硫酸盐，低价锰到高价锰的转变等，均消耗大气中的氧。（2）形成钙和镁的碳酸盐沉积过程，使 CO2 从气圈移出。（3）从有机体到煤和石油形成过程所消耗的 CO2。（4）细菌固氮过程中造成氮的输出。（5）氢和氦自地球重力场中的逃逸。

有人已经对大气圈中主要组份通过各种途径所进行的输入输出过程进行定理估算。如霍兰德曾经给出大气圈中氧的产生与消耗的具体资料。进一步地，把这种资料和海洋、生物圈沉积岩（固体岩石圈）的输入输出过程结合起来，就构成了元素在地表或地球上的地球化学循环。