关于大气圈的化学演化介绍

[拼音]：daqiquan de huaxue yanhua

[外文]：chemical evolution of the atmosphere

大气圈的起源，及其在地球历史中化学成分的变化。大气圈是地球外围的大气层，上限距地面3000千米，下限达地面以下60～100千米，质量为5.3×1018千克。

主要由N2、O2、Ar和CO2组成，它们占干燥空气的99.99％。还有He、Ne、Kr、Xe、Rn、H、H2、O3、NH3、CH4、NO、NO2、CO、SO2等微量组分。此外还有Hg和I的蒸气,在高空大气中存在一些呈气体状态的金属元素，如Th、CO、K、Fe等。除气体外,大气中还悬浮着水滴、冰晶和固体微粒。地球内部的去气作用过程，大气圈-水圈-岩石圈的相互作用，气体向宇宙空间的逸散，太阳风、宇宙线辐射和地外物质的陨落，生物和人类的活动等都不断地改变着大气圈的化学组成，但大气圈的主要成分基本上是恒定的。

大气圈的起源有3种观点：

（1）原生说，当行星形成时,俘获太阳星云的气体组成；

（2）次生说,行星内部物质通过熔融、去气过程，释放的气体逐渐形成大气圈；

（3）上述两种成因的叠加。地球大气圈的次生起源获得了愈来愈多的证据，如①金星、地球、火星大气圈成分相似（地球大气圈中的 CO2多被转移至水圈和沉积岩中），证明类地行星的大气圈起源于行星内部的除气过程；

（2）地球内部除气所产生的气体成分和气体量足够形成地球大气圈；

（3）地球大气圈的元素与同位素组成与太阳星云气体差异极大；

（4）地球大气圈的稀有气体丰度与太阳星云或太阳的丰度不符而与组成地球的初始物质──陨石的丰度相一致。

地球大气圈的成分和各组分的分压有着极其复杂的演化过程。地球不同于金星和火星。金星的质量近于地球，由于距太阳较近，表面温度高，内部除气所产生的水蒸气不能在表面凝结成水圈,CO2、SO2、H2S、NO、NO2等积累滞留在大气圈内形成稠密的CO2大气圈。火星距太阳较地球远，表面温度低，加之质量较小，气体易于逃逸，火星内部除气过程释出的气体，不能凝结成水体,只能形成极稀薄的CO2大气圈。地球的大气圈、水圈、生物圈和岩石圈具有协调的形成和演化过程。地球内部除气作用释出的主要气体为水蒸气、CO2、CO、HCl、CI2、HF、HBr、H2S、S、SO2、N2、H2、H、O2、CH4、NH3和稀有气体等。O2主要来源于水蒸气的光化学分解和绿色植物的光合作用。地球内部物质的熔融除气过程，大约共释放1.74×1018吨挥发性物质,其中CO2约1.22×1015吨。地球初始的大气圈属于具有火山气体成分的强还原性大气圈。通过水蒸气的凝结，原始的海洋水成为强酸性水体。随着海洋水体的增大，大气圈中CO2的积累,太古宙的地球大气圈演化为CO2-火山气体大气圈。随着水圈中碳酸盐的沉积，大气圈中CO2分压降低，演化为元古宙的弱氧化的CO2大气圈。显生宙生物的繁殖，碳酸盐沉积量的增长和植物的出现,CO2大气圈逐步演化为现今的N2-O2大气圈。

地球各圈层的演化受到地球内部能量的产生、积累、传输荷分布的制约。地球内部的能源随时间而衰减，地球内部物质的熔融、调整、除气作用的强度也随时间而减弱。地球内部能源的变化与大气圈的演化历程见表。

人类的活动使地球大气圈中CO2含量明显增加，每年通过煤和石油的燃烧产生的CO2总量为6.2×109吨，相当于现今大气圈中CO2含量的1/250。温室效应的增长，臭氧层的破坏，一系列环境生态的恶化，对人类的生存环境提出了严重的挑战。“全球变化──地圈和生物圈十年”计划已成为当代科学研究的焦点，全世界的科学家将为人类生存环境的演化和预测提出科学对策。