科学百科第34期丨供我们呼吸的空气是从哪里来的？

本期为大家带来：

《你知道吗——现代科学中的100个问题》

本书是阿西莫夫的优秀作品之一。

作者以通俗的语言，深入浅出地解释了现代科学中的一百个尖端课题。

其中，有些是了解现代科学技术所必须具备的基础知识，如科学的研究方法、二进制数、相对论、亚原子粒子、核聚变、熵、晶体、病毒等。有些则是当代科学技术的前沿阵地，如黑洞、统一场论、夸克、快子、金属氢等。

作者对这些问题的来龙去脉，它们目前处在什么样的状态、有没有希望得到解决等问题均作了回答。

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第三十四个问题： 供我们呼吸的空气是从哪里来的？

据天文学家推测，行星是由一些巨大的气体和尘埃旋转形成的，而构成这些气尘云的各种元素，其比例一般等于它们在宇宙中通常占有的百分比。行星中约有百分之九十的原子是氢，还有百分之九是氦，剩下的则包括其他所有元素——主要是氖、氧、碳、氮、氩、硫、硅、镁、铁和铝。

地球的固态球体本身是各种岩石的混合物，由通过化学力结合成紧密分子的镁、铁、铝的硅酸盐和硫化物所组成。多余的铁则慢慢地沉到岩层下面，形成炽热的金属核心。

当地球的这些固体成分聚拢在一起时，也会捕集到一些气态物质，这些气体会存在于固体微粒之间，或者与固体形成松散的化学结合。这些气体中有氮、氖、氩的原子——它们不与其他元素化合。此外还有氢原子。

氢或自己成对地结合成氢分子（H2），或与其他原子化合。它能与氧化合生成水（H2O），与氮化合生成氨（NH3），或与碳化合生成甲烷（CH4）。

随着构成地球的物质的不断堆积，压力就会越来越大，火山喷发也会越来越猛烈，这些气体就会被挤压出来。氢、氦和氖的分子由于太轻，地球留不住，就迅速地逃逸掉了。

剩下来的就组成了大气。它们是水蒸汽、氨、甲烷，再加上一点儿氩。水蒸汽的大部分（不是全部）后来冷凝下来，就形成了海洋。

木星和土星等行星所具有的也是这种大气，不过，由于它们的质量相当大，能够把氢、氦和氖保留下来。

但是，内行星的大气层已开始进入化学进化阶段了。来自离得很近的太阳的紫外线，把水蒸汽的分子破坏成氢和氧的分子。氢逃逸掉了，而氧却留了下来。它们越聚越多，并且与氨和甲烷发生化合。氧与氨化合时，生成氮和水；氧与甲烷化合时，生成二氧化碳和水。渐渐地，内行星大气层的成分就从氨加甲烷变成了氮加二氧化碳。

今天，火星和金星仍然具有这种氮加二氧化碳的大气层、地球在几十亿年前开始出现生命的时候，一定也是有这种大气层的。

而且，这种大气是稳定的。它一旦形成，总有一部分当紫外线分解水蒸汽时生成的自由氧（其分子式为O2，由两个氧原子组成）积聚起来。紫外线还会进一步把这种氧变为臭氧（其分子式为O3，由三个氧原子组成）。

臭氧会吸收紫外线，并把它截住，使它几乎不能穿过臭氧层进入上层大气层去分解下层的水分子，因此，大气层的化学进化即告终止——直到后来又出现了新情况时为止。

在地球上，这种新情况已经出现过了。在偶然的情况下，有一些生命萌发了，它们能利用可见光来分解水分子。臭氧层并不阻挡可见光的通过，因此，上述过程（即光合作用）会无限地进行下去。在光合作用下，二氧化碳被吸收，而氧气则被释放出来。这大概是五亿年前开始的。从那时候起，大气层就被转变为今天这种氮气加氧气的结构。

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