地球/4a. 你呼吸的空气
深吸一口气。你吸入的空气是由形成地球大气的独特气体混合物组成的。地球的大气层是围绕一个球体的充满气体的壳层，代表了地球的最外层部分。了解地球大气层中独特的气体混合物对于需要某些气体才能呼吸的生物至关重要。我们大气中的空气是气体的混合物，气体分子之间有很大的距离。虽然大气在星球的不同区域之间略有不同，但地球的大气在组成上几乎是一致的，主要成分是氮气 (N2)，约占大气的 78.08%。地球大气中第二丰富的元素是氧气 (O2)，约占大气的 20.95%。这剩下只有 0.97%，其中 0.93% 由氩气 (Ar) 组成。这种氮气、氧气和氩气的混合物在太阳系中是独一无二的，尤其是与邻近的行星相比，火星的大气中 95.32% 是二氧化碳 (CO2)，2.6% 是氮气 (N2)，1.9% 是氩气 (Ar)。而金星的大气中 96.5% 是二氧化碳 (CO2)，3.5% 是氮气 (N2)，还有少量二氧化硫 (SO2)。地球的大气在氧气 (O2) 的含量上是奇怪的，而二氧化碳 (CO2) 的含量却很低。然而，有证据表明，地球在早期历史中拥有与金星和火星类似的大气层，即富含二氧化碳的大气层。
关于地球早期大气层的证据来自对阿波罗任务带回地球的月球岩石的仔细研究，这些研究表明，月球岩石的碳含量很低，岩石总重量的 0.0021% 到 0.0225% 由各种碳化合物组成 (Cadogan et. 1972: 月球碳化合物的调查)。对地球火成岩的分析表明，碳在地球固体中更常见，百分比在 0.032% 到 0.220% 之间。如果地球在它的熔融早期历史中与月球上发现的岩石组成相似，那么地球上的大部分碳都会以二氧化碳和甲烷的形式以气体的形式存在于大气中，这将导致一个密度高 1,000 倍的大气层，其中大部分是二氧化碳，与金星和火星类似。古代锆石晶体的进一步证据表明，在地球最初的 10 亿年历史中，地球固体中的碳含量很低，这支持了早期大气层主要由二氧化碳组成这一观点。
如今，地球的岩石和固体物质包含了绝大多数的碳（地球碳总量的 99% 以上），只有少量存在于大气层和海洋中，而在其早期历史中，大气层似乎是碳的主要储存库，包含了地球总碳的大部分，只有少量被锁定在岩石中。在数十亿年的时间里，在水蒸气的存在下，大气中二氧化碳的含量逐渐减少，因为碳以碳酸的形式从大气中去除，并以碳酸钙 (CaCO3) 的形式沉积到地壳岩石中。这种从大气中清除二氧化碳的过程似乎并没有发生在金星和火星上，这两颗行星都没有大量液态水和水蒸气存在于其行星表面。这也可能导致地球的大气层密度降低，今天地球在海平面附近的密度为 1.217 kg/m3。随着光合作用生命形式和碳酸钙骨骼的出现，地球大气中二氧化碳的含量急剧下降，这些生命形式和骨骼进一步从大气中吸收了二氧化碳，并在大约 25 亿年前加速了这一过程。
应该注意的是，水 (H2O) 是地球大气层的重要组成部分，是地球液态海洋、湖泊和河流蒸发的气体。大气中水蒸气的含量用相对湿度来衡量。相对湿度是指水蒸气分压与给定温度下光滑表面上液态水平衡压力之比（通常以百分比表示）。相对湿度为 100% 意味着水蒸气分压等于液态水平衡压力，并将凝结成水滴，以雨的形式降落或以露珠的形式出现在玻璃窗上。请注意，相对湿度不是大气中水蒸气含量的绝对量度，例如，测得的相对湿度为 100% 并不意味着空气中含有 100% 的水蒸气，25% 的相对湿度也不意味着空气中含有 25% 的水蒸气。事实上，水蒸气 (H2O) 仅占大气总成分的 0% 到 4%，其中 4% 的值出现在地球的赤道热带地区，例如雨林。在大多数地方，水蒸气 (H2O) 只占大气中极少量，主要存在于地球表面附近。空气中所能容纳的水分子数量与温度和压力都有关。温度越高，压力越低，空气中发现的水分子越多。水分子与地球的空气处于平衡状态，然而，如果地球表面的温度上升到 100° 摄氏度以上，水的沸点，地球上大部分的水将转化为气体，并将成为地球大气中水蒸气的重要组成部分。科学家们争论的是，地球表面的温度何时降至这个高值以下，以及液态海洋何时首次出现在地球表面，但到 38 亿年前，地球上似乎已经出现了海洋。
在此之前是地球熔融时期，称为冥古宙（以冥界命名，希腊神话中的地下世界）。冥古宙持续了 5 亿到 7 亿年，当时地球就像金星的炙热表面，但不断受到陨石撞击和大量火山喷发以及熔岩流动的影响。来自这一时期的岩石很少，如果有的话，因为地球在其历史的这一阶段大部分是熔融的和液态的。温度必须下降，导致液态水出现在地球表面，并导致大气密度降低。这开始了从大气中清除二氧化碳的漫长过程。
在接下来的 13 亿年中，地球的大气层是水蒸气、二氧化碳、氮气和氩气的混合物，还含有少量难闻的二氧化硫 (SO2)、氮氧化物 (NO2)。人们争论的是，可能存在氢硫化物 (H2S)、甲烷 (CH4) 和氨 (NH4) 的气穴，或者这些气体化合物在早期大气中大部分被氧化。然而，游离氧气 (O2) 在地球早期的大气层中很少见或不存在，因为作为气体的游离氧气要到后来才会出现，而当它出现时，它将彻底改变地球。
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