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地球大气极简史

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  • TA的每日心情
    开心
    2023-2-1 09:26
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    [LV.6]常住居民II

    发表于 2020-1-18 12:27:02 | 显示全部楼层 |阅读模式

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    本帖最后由 刘萝卜锅 于 2020-1-18 12:31 编辑

    品质源于技术 服务源于态度
    这是阿什卡微信公众号的第722篇原创文章
    首发于2020年1月14日


    1

    地球大气层是啥时候形成的?这又是个鸡与蛋的问题。



    因为地球就是从一团气体尘埃中产生的。



    从45.7亿年前,地球刚刚孕育时起,它就一直裹在气体之中,一路吸积壮大、碰撞融合,走到今天。



    所以,是先有地球,还是先有地球大气层,这是个问题。





    2

    我们要探究的大气层,是混沌初开时,与岩石地面界限分明那个大气层。



    那是44.5亿年前,地球初长成,岩浆还在地表翻滚,所以尘埃尚未落定。



    但是,地球有足够的引力,让这些气体、尘埃紧密团结在自己周围。



    3

    这些尘埃,混合无法落地的水蒸气,在氢、氮、甲烷、硫化氢、二氧化碳混合的大气中蒸腾、翻滚。



    这,就是大气最初的模样。凭着这副模样,地球在太阳系里浪了几千万年、上亿年。



    你还别嫌弃。不管披着什么外衣,总比裸着强。



    4

    并不是所有的星球都有外衣披,更不是所有星球都有这么合适的外衣。



    水星离核心太近,只有5700多万公里,太阳的光辉如此炽烈,以至于水星只能裸奔。



    从木星而外,都是气体行星,极厚的大气,裹着小小的核。



    气太多,脾气就大。不仅压力巨大,而且流动暴烈。



    木星飓风是400公里时速是日常,而土星飓风时速有1800公里,快过手枪子弹。但在海王星2100公里时速的超级风暴面前,土星也甘拜下风。



    这种风暴如果发生在地球,地表的一切都将被夷平、撕碎,飞散成埃。



    5

    原初地球的大气,也并不比气体行星温柔多少。



    那时的大气比现在厚很多,差不多包含了整个元素周期表。



    海量物质初遇、相拥、碰撞、摩擦产生的炽热,以及太阳风的劲射,让气体、尘埃中的物质不断分分合合,氧化还原。



    比较轻的原子,比如氢原子,被打飞到宇宙空间。比较重的原子,比如氧和碳结合,成了一氧化碳,进而二氧化碳……几亿年过去,地球逐渐降温,在次生大气的演化中,走出了冥古宙。



    6

    水落在地上,流成河,聚成湖,汇成海,在阳光的驱动下,开始了周而复始的水循环。



    循环中,水溶解了大量二氧化碳,遇到钙离子,合成碳酸钙,沉入海底。



    气压迅速下降,二氧化碳减少,天空慢慢变蓝。



    7

    有人相信,早在40亿年前,地球就已经开始出现生命。只不过,被39亿年前那场陨石大冲撞打回了原形。



    但,既然一切都被抹除,那么所有关于此前的生命猜想,就都只是猜想。



    生命的最早证据,是不晚于35亿年前的生物化石。那时,生命已经开始在海洋中晒太阳。



    那时,两极没有冰山,陆地面积很小。



    8

    但是,随着二氧化碳的日渐稀薄,生物释放的氧气,让甲烷含量每况愈下,两大温室气体的日渐式微,让温室效应越来越弱。地球散热加快。



    更要命的是,一种喜欢吃氮的细菌——就叫它嗜氮君吧——大快朵颐,它们直接吃掉大气中的氮气,变成氨。



    由于那时氧气没这么多,氨来不及氧化,氮气就这样不断被消耗,沉积到地下,以铵离子的形式,进入岩石圈,固定到岩石晶格中——固氮,就是这么简单。大气层急剧变薄。



    大概在24亿-22亿年前那段时间,寒风吹遍地球,冰川时代来临。嗜氮君冰封了自己的王座。



    冰雪遍地,海面被冻成冰盖,冰清玉洁的地球,反射掉的阳光更多,于是更冷——这就是雪球地球。



    作为一种规模宏大的地质事件,这是雪球地球第一次出现,但不是最后一次。此后,至少又出现过两次。



    9

    冰冻,灭掉了大部分生物。阳光穿不透厚厚的冰盖,但地层的海水,却没有继续变冷。因为地球自带核能供热。



    海底黑烟囱不断喷出热液,把营养物质源源不断地送到海水中。



    生物少,食物多,这些营养物质就越攒越多。



    10

    火山也没闲着,它不断喷出各种气体、尘埃,包括大量的二氧化碳。



    没有那么多流水,二氧化碳就不会溶解在水里,和钙结合成沉在海底变成石头。于是二氧化碳越积越多,温室效应卷土重来。



    冰雪开始消融。



    11

    越来越多的蓝藻沐浴在阳光之下,浸淫在充足的营养物质之中,拼命享受光合作用、呼出氧气、产出后代的快感。



    蓝藻的大爆发,带来了氧气大爆发。大量厌氧生物被毒死。



    我们如今赖以生存的氧气,却是一次生命大灭绝的凶手。



    地球,经历了一场生命大洗牌。



    适应富氧环境的生物,逐渐演化出来。



    12

    氧气,一种活泼随和的元素,和谁都搞得来。



    海量的氧气,充斥着地表,铁、硫、碳、镁、磷、铝……氧化能氧化的一切。



    氮借着氧的力量,突破了岩石的封锁,做回自由自在的氮气,和解救自己的氧,成为地球大气双巨头。



    细胞呼吸氧气,供能效率更高——这就为动物的出现,提供了可能。动物耗能,远高于微生物和植物。



    有了呼吸的材料,生命可以向陆地进发。



    13

    别急,紫外线轻松穿过大气层,直击地表。



    紫外线的能量,可以打断化学键。生物大分子,无法抵挡紫外线的暴击。


    氧气分子同样不能抵挡,很多氧分子O2,被紫外线拆成氧原子O。有些O遇到另一个O2,会欢天喜地地组合成O3,这就是臭氧。



    14

    O3越来越多,在离地20公里高的平流层,形成臭氧层。



    紫外线打到臭氧上,把O3拆成O2和O。O2和O相遇,再结成O3,周而复始。



    于是臭氧层,成了地球的防辐射服,专业吸收紫外线。



    生命,可以上岸了。



    15

    日升月落,潮起潮落。有的生物被卷回大海,有的生物,则被拍在沙滩上。



    留在沙滩上的生物,面临着一个严肃的问题:生存,还是毁灭?



    水中生物,沦落在陆地上,当然是毁灭。直到有一天,一个变异的生物在水边活了下来。



    大概4.5亿年前左右,植物抢滩登陆。在空气中享受阳光。



    5千万年后,一只动物吸了一口新鲜空气,踏上海滩。它说:这是我的一小步......



    16

    植物通过光合作用,拆开二氧化碳,呼出氧气;动物吸收氧气,呼出二氧化碳。



    生物,是地球大气循环、大气成分改造的重要力量。



    大约3亿年前,氧气的浓度达到史上最高:32.5%。斯时,是石炭纪。



    充沛的氧气,让虫子们身长体壮,翼展1米的蜻蜓、人头大的蜘蛛、3米长的千足虫随处可见。所以,这个时代,也叫巨虫时代。



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     楼主| 发表于 2020-1-18 12:31:05 | 显示全部楼层
    17
    地球是圆的,在自转、公转中,地轴微微进动,于是受太阳直射的部位,在赤道附近微微切换。

    这导致,阳光对地球大气的加热,既有规律、又略有变化。

    空气被加热,就会膨胀、变轻、上升。同时这里的气压变小,周围的冷空气就来补充。

    于是形成千变万化,又有规律可循的大气流动,形成了能量、动量的大搬运、大平衡。

    18
    这种流动,从空间、时间的大尺度上看,很有规律,这就是大气的热力环流。

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    19
    大气环流必然带上蒸腾的水蒸气,水蒸气湿润着空气,遇冷凝结成水滴、成雪花、成冰雹,落回地面,造成雨雪霜雾的万千气象,滋养着万千生灵。

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    20
    大气在环流,地球也在自转。

    作为一枚转动的球,地球表面各处的转速当然不一样。赤道自转速度最快,两极最慢。而物质运动是有惯性的,大气也是如此。

    所以,大气在转速不一致的地表上流动,就会发生偏转,这就是所谓“科里奥利力”的作用(详见《嫦娥四号发回一段语音》)。

    21
    地球陆地、海洋分布不均匀。

    而且,高山、平原、森林、沙漠、盆地分布也比较随意,大气流动,时时处处受着各种因素的影响。

    每一个微小变化的输入,随着时间演化,又都影响着整个系统的结果输出。

    所以,大气系统,是个无比复杂的系统。大规律下,处处是微妙、无常的变化。

    这些变化,左右着各地的气候,影响着万物。

    22
    在地球上,我们很难找到两块气候相同的陆地。就如同在天空,我们很难找到两片相同的云朵。

    即使同一块土地,也是气象万千。

    所谓百年一遇、千年一遇,都不是奇遇,而是极短时间跨度下的小偶遇,是平缓变化曲线中的小震荡。而已。

    23
    今天的地球大气,含氮78.09%,氧20.95%,稀有气体0.932%,二氧化碳0.034%,水蒸气和杂质0.002%。

    04.jpg

    工业革命以来,人类活动提升了60%二氧化碳含量。化肥的生产,让固氮量不断增加。氟利昂的大量使用,让臭氧层出现空洞……

    24
    地球大气有多厚?这是个无解的问题。因为,大气和宇宙空间,并不存在一个确定的分界。

    人类把大气层分成了5层,从低到高:对流层、平流层、中间层、热层、散逸层。散逸层可从海拔700公里延伸到10000公里。

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    25
    大气压,提高了水的沸点。

    在海平面高度,一个大气压下,水的沸点是100℃。这非常重要。

    人如果暴露在大约18000米高度,大气压低于0.0618,体液会在37%体温下达到沸点,这就是所谓阿姆斯特朗极限。

    没有大气,水会更容易飞升,被太阳风拆解成氢和氧,氢又容易被打飞到宇宙深空……

    水圈、生物圈、岩石圈……无时不刻不在和大气圈发生着微妙复杂的相互作用。


    用DionisosFlow 反演一下,从地质尺度看,这些圈都在不断演化。


    所谓的稳定结构,只是短期而言。

    短期之短,有多短?可以跨越人类百万年的历史。


    本文为《地球故事系列》,前文请见如下链接

    -END-

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