大气层是如何形成的：冥古宙时期地球大气的起源

关键词：冥古宙大气层、早期地球大气、火山逸气、太阳风剥蚀、星云气体、晚期重轰炸、磁场保护、大气起源

我们每一次呼吸，都依赖于笼罩在地球表面的那层薄薄的气体。 这层气体如此平常，以至于我们很少停下来思考它究竟从何而来。 事实上，地球今天的大气层并非与生俱来，而是经历了数十亿年的动荡才逐渐成形。 在地球最初的历史中，大气层曾被恒星风撕碎，曾被撞击蒸发，曾从滚烫的内部喷涌而出，又被新的撞击一次次摧毁与重建。 这是一段关于毁灭与再生的故事，发生在距今约45亿到40亿年前的冥古宙。

第一代大气：被年轻太阳撕碎的星云气体

在地球形成的最初阶段，年轻的地球并非裸露于虚空之中。 原行星盘中弥漫着大量的氢气和氦气，这些气体主要来自太阳星云中尚未被消散的残余气体。 地球在吸积过程中，其引力足以在自身周围积累一层以氢和氦为主的原始”星云大气” [Zahnle et al., 2010] Earth's Earliest Atmospheres
Zahnle, K., Schaefer, L., Fegley, B. (2010)
Cold Spring Harbor Perspectives in Biology
DOI: 10.1101/cshperspect.a004895 。

然而，这层大气极其短暂。问题的核心在于一个物理事实：对于较轻的气体分子而言，地球的引力根本不足以将它们长期束缚。 对于一个质量为 $m$、处于地球表面的气体分子，逃逸速度为：

其中 $G$ 是万有引力常数，$M$ 是地球质量，$R$ 是地球半径。 对于今天的地球，$v_{esc} \approx 11.2 \, \text{km/s}$。 然而，处于高温气体中的氢原子和氦原子的热运动速度可以非常接近甚至超过这一数值 [Catling et al., 2009] The Planetary Air Leak
Catling, D. C., Zahnle, K. J. (2009)
Scientific American
DOI: 10.1038/scientificamerican0509-36 。 在高层大气中，这些轻质粒子可以持续以热逃逸（Jeans escape）的方式流失进太空。

更致命的打击来自年轻太阳本身。 在太阳系形成后的数百万年内，年轻的太阳正处于所谓的”T-Tauri阶段”（T Tauri phase）。 在这一阶段，太阳产生的恒星风比今天强烈数百倍甚至数千倍，释放出的带电粒子流以极高的速度向四周喷射。 这股强大的星云风席卷了整个内太阳系，将残余气体盘中的轻质气体驱散。 地球表面那层薄薄的星云氢氦大气，在这股恒星风面前毫无抵抗能力，很快被彻底剥离。 整个过程仅历时数百万年，与地球45亿年的历史相比，不过是转瞬即逝的一刻。

第一代大气，就此消失。

撞击与岩浆海洋：蒸汽构成的天空

星云大气消失后，早期地球并没有迎来宁静。如我们在上一篇博客中所描述的， 彼时的地球正处于持续的大规模撞击之中，表面被一片广阔的岩浆海洋所覆盖。 在这样的环境下，所谓的”大气”并非由稳定的气体分子构成，而是由蒸发的岩石与矿物共同形成的一种极端介质 [Zahnle et al., 2010] Earth's Earliest Atmospheres
Zahnle, K., Schaefer, L., Fegley, B. (2010)
Cold Spring Harbor Perspectives in Biology
DOI: 10.1101/cshperspect.a004895 。

当高速运动的微行星和行星胚胎撞上熔融的地球表面时，撞击产生的巨大能量足以瞬间气化数量庞大的岩石物质。 硅酸盐岩石中的铁、镁、硅等组分在数千开尔文的高温下进入气相。 与此同时，来自吸积物质中的水分在这一温度下以蒸汽的形式存在，无法凝结。 整个地球表面被一层由岩石蒸气、水蒸气和各种矿物气体共同构成的厚重大气所笼罩。

这层大气具有极强的温室效应。 它像一条厚重的毯子，将来自撞击和内部热量的辐射牢牢锁在地球表面附近，使地表温度长期维持在极高水平，further阻止了表面的冷却与固化。

第二代大气：来自地球内部的气体

随着大规模撞击逐渐减少，地球表面开始缓慢冷却。 岩石蒸气率先凝结，降落回地表，成为早期地壳的雏形。 水蒸气此时仍以气态存在于大气之中，因为地表温度依然高于水的沸点。 但最重要的变化，是地球内部开始以一种系统性的方式向外释放气体——这一过程被称为火山脱气（volcanic outgassing） [Holland, 2002] Volcanic gases from subduction zones and the atmosphere and oceans of the early Earth
Holland, H. D. (2002)
Geochimica et Cosmochimica Acta
DOI: 10.1016/S0016-7037(01)00829-7 。

早期地球内部含有大量在吸积过程中被封存的挥发性物质。 随着地球分异的进行（详见上一篇博客），这些挥发性物质在地幔对流和火山活动的驱动下，通过岩浆的喷发被带到地表并释放进大气。 这一过程持续了数十亿年，是地球大气的主要建造机制之一。

早期火山气体的组成与今天的火山气体有所不同。 今天的地球地幔已经历了漫长的演化，而冥古宙早期的地幔温度更高，氧化程度更低，因此释放出的气体以还原性气体为主：

值得注意的是，这一早期大气中完全不含游离的氧气（O₂）。 大气中的氧都以化合物的形式存在，如水、二氧化碳和二氧化硫。 这是一个强还原性的大气环境，与今天富氧的地球大气截然不同。 游离氧的出现，将是数十亿年后的事情，是生命改造地球的产物，而非地球自然形成的结果。

撞击的双重角色：破坏与补充

火山脱气为地球建造了一层新的大气，但这项工作远未平静进行。 在冥古宙晚期，约39亿年前，太阳系经历了一次被称为”晚期重轰炸”（Late Heavy Bombardment，LHB）的强烈撞击事件 [Gomes et al., 2005] Origin of the cataclysmic Late Heavy Bombardment period of the terrestrial planets
Gomes, R., Levison, H. F., Tsiganis, K., Morbidelli, A. (2005)
Nature
DOI: 10.1038/nature03676 。 这一时期，大量的小行星和彗星在木星等巨行星引力共振的驱动下，轨道被强烈扰动，大量天体被抛射进入内太阳系。

每一次大规模的撞击都会对大气造成直接的破坏。 当一颗足够大的小行星以极高速度撞击地球时，产生的爆炸性冲击波可以将大量大气物质直接加速到逃逸速度以上， 使其脱离地球引力的束缚，永久流失进太空。这一过程被称为大气侵蚀（atmospheric erosion）。 体积越大、速度越高的撞击体，造成的大气损失越为严重。

然而，撞击并非只有破坏性。这些来自外太阳系的撞击体——尤其是富含挥发物的彗星和碳质球粒陨石——本身携带着大量的冰、有机分子和其他挥发性化合物 [Marty, 2012] The origins of water and carbon in the terrestrial planets
Marty, B. (2012)
Earth and Planetary Science Letters
DOI: 10.1016/j.epsl.2011.11.025 。 当它们撞入地球时，所携带的这些物质同样被释放出来，为地球的大气与水圈补充了新的原料。 其中最重要的贡献，或许是水。今天地球表面海洋中的水，有一部分很可能正是来自这些远道而来的撞击体。

这是一个极为矛盾而又奇妙的事实：同样的撞击，既是大气层的摧毁者，也是它的建造者。

磁场：大气层的守卫者

大气层的存续，除了依赖地球内部的持续补充，还需要一道来自上方的保护屏障。 这道屏障，来自地球的磁场。

正如我们在上一篇博客中所描述的，行星分异的过程使地球形成了一个由液态铁镍组成的外核。 在地球自转的驱动下，液态外核中的导电流体产生对流运动，进而通过发电机效应（dynamo effect）产生磁场。 这个磁场延伸至太空，形成地球磁层，像一个无形的盾牌，将大部分来自太阳的带电粒子（太阳风）偏转开来 [Tarduno, 2010] Geodynamo, Solar Wind, and Magnetopause 3.4 to 3.45 Billion Years Ago
Tarduno, J. A. et al. (2010)
Science
DOI: 10.1126/science.1183445 。

如果没有磁场，太阳风中的高能带电粒子将持续轰击地球上层大气，不断剥离其中的气体分子，使大气层缓慢但不可逆地流失进太空。 这不是理论推测，而是我们在太阳系中能够直接观测到的现象：火星便是一个最典型的案例。

火星在太阳系形成的早期也曾拥有一个活跃的内部发电机和由此产生的全球性磁场。 然而，由于火星体积较小，内部冷却更快，其液态铁核在大约40亿年前便已凝固，发电机效应随之停止。失去磁场保护的火星大气层，在此后漫长的岁月里被太阳风持续侵蚀，最终从一个可能曾经拥有液态水和厚重大气的世界，演变为今天那个大气稀薄、干燥寒冷的红色荒漠。

地球则走上了一条截然不同的道路。地球体积更大，内部冷却更慢，液态外核至今仍然活跃。 这使得地球的磁场得以在数十亿年间持续稳定存在，为大气层的积累提供了不可或缺的长期保护。

冥古宙末期：大气的轮廓初现

进入冥古宙晚期，约40亿年前前后，随着大规模撞击的频率逐渐下降，地球表面开始进入一个相对稳定的阶段。 火山脱气的持续积累、撞击体带来的挥发物补充、以及磁场对太阳风的持续阻挡，三者共同作用，使地球的大气层开始逐渐具备一个相对稳定的轮廓。

此时的大气，与今天相比，面目几乎全非。 大气的主要成分是二氧化碳（CO₂）和氮气（N₂），其中CO₂的浓度比今天高出数个数量级。 大量的水蒸气（H₂O）仍然以气态形式存在于大气之中，因为地表温度依然很高。 甲烷（CH₄）和其他还原性气体以微量方式存在，整体上构成了一个强还原性的大气环境。 最重要的一点：大气中完全没有游离的氧气 [Zahnle et al., 2010] Earth's Earliest Atmospheres
Zahnle, K., Schaefer, L., Fegley, B. (2010)
Cold Spring Harbor Perspectives in Biology
DOI: 10.1101/cshperspect.a004895 。

这个以CO₂和N₂为主体的还原性大气，具有强烈的温室效应。 在当时太阳亮度比今天约低20%至30%的背景下，正是这种温室效应使地球表面温度维持在合理范围之内，而不至于完全冻结成冰球。 这一悖论——年轻太阳昏暗，地球却未被冻结——正是通过早期高浓度CO₂等温室气体的保温作用来解释的。

我们今天所呼吸的氧气，要等到大约24亿年前的大氧化事件（Great Oxidation Event）才会出现于大气之中。 而那将是另一段漫长故事的开始——来自生命本身的力量，将把地球的大气彻底改变。