地球是太阳系中的一个成员,是无限宇宙中的一颗渺小的星星;但就地球本身来说,它的里里外外,又可分为好几个圈层。
在地球的外围,包围着一层大气,人们把这层大气称为“地球的大气圈”,简称大气圈。它像一层厚厚的外套罩着地球,人类就生活在这大气的海洋里。大气直接影响着人类的生产与生活,它和人类的生存息息相关。
地球的大气圈是怎样形成的呢?这个问题一直受到人们的注意和研究。但由于大气圈是在人类社会出现以前形成的,它的成因比较复杂,并且又与地球的起源、演化有着直接的关系。所以到目前为止,还没有一个完善的解释。比较一致的看法为:最初,当地球刚刚由星际物质凝聚成疏松的地球团时,空气不仅包围在地球表面,而且也渗透在地球内部。那时的空气成分以氢为主,约占整个气体成分的90%。此外,还有一些水汽、甲烷、氨、氦及一些惰性气体。
以后,由于地心引力的作用,这个疏松的地球团就逐渐收缩变小。于是包含在地球内部的空气就被排挤出来,散逸到宇宙太空中去。到地球团收缩到一定程度后,收缩的速度便渐渐变慢,与此同时,地球的温度也渐渐降低,地壳便开始凝固起来。最后被排挤出来的一部分空气,就被地心引力拉住包围在地球的表面,形成了大气层。当时的大气层是很稀薄的,它的成分仍是氢、水汽、氦、甲烷、氨及一些惰性气体。
地壳形成以后,在古老的地质年代里,地壳内部又因放射性元素的不断发热,造成地层的大调整,使地壳的某些地方发生断层和褶皱。包含在岩石和地层中的一些气体,便被大量释放出来,补充到稀薄的大气层内。这时,大气上层已经有了水蒸气,它们在太阳光线的照射下,一部分被分解为氢和氧。这些分解出来的氧,一部分与氨中的氢结合,使氨中的氮分离出来;一部分与甲烷中的氢结合,使甲烷中的碳分离出来,碳又与氧结合成为二氧化碳。这样,大气圈内的空气,主要成分就变成为水蒸气、氮、二氧化碳和氧了。不过,那时候的二氧化碳比现在多,而氧则比现在少。
大约在18亿年以前,水里面开始有了生物;在七八亿年前,陆地上开始出现植物。当时大气中二氧化碳含量比较多,十分有利于植物的光合作用,使植物生长得非常繁茂。植物的光合作用,吸收了大气中的二氧化碳,放出了氧,使大气中的含氧量增加。大约在5亿年以前,地球上的动物增加很快,动物的呼吸,又使大气中的部分氧转化为二氧化碳。
地球上的动植物增多后,当动物的粪便和动植物的躯体腐烂时,蛋白质的一部分变为氨和铵盐,另一部分直接分解出氮,变为氨和铵盐的一部分,通过硝化细菌和脱氧细菌的作用,变为气体氨,进入大气。由于氮是惰性气体,在正常温度下不容易与其他元素化合,因此大气中的氮也就越积越多,最后达到了现在大气中的含氮量。从此,近地面的大气就变成了现在的成分,即氮约占78%,氧约占21%,氩约占1%,其他微量气体的总和占不到1%。