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地球的原始大氣層

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王道還｜中央研究院歷史語言研究所助理研究員

從杯底向上冒的氣泡，直徑會越來越大。氣泡的直徑與水壓、大氣壓的和成反比，在海裡、泳池裡、水族箱裡，到處都能觀察到這個現象。美國太空總署的太空生物學家桑姆（Sanjoy M. Som）利用這個原理，以古代火成岩中的氣泡計算當年的大氣壓，他的數據來自澳洲太古代的熔岩。要是知道溶岩流的厚度，以及大小氣泡在其中的分布，就能算出當時的大氣壓力。結果，他得到了一個教人意外的數字：27億年以前的大氣壓力是現在的1∕2～1∕4。有趣的是，這個結論還得到了一個不相干的研究的支持。

原來澳洲莫那什大學的地球科學家湯欽斯（Andrew Tomkins）也到西澳太古代石灰石地層裡尋找研究資料。他搜尋的是微隕粒，直徑大約幾十微米。一開始，他的目的在計算地球遭到太空塵粒轟擊的頻率。不久，他就對微隕粒的化學組成發生了興趣。結果，他發現那些太古代微隕粒與今天的沒什麼不同—含有同樣的氧化鐵。這表示它們穿越的大氣層，氧的比率與現在一樣。可是我們從小讀的科學教科書都告訴我們：地球原始大氣中並沒有氧。

這兩個結論都教人意外。太古代的大氣層為什麼那麼輕？沒什麼道理。而地球的原始大氣裡沒有氧，有堅實的地球化學證據。可是這兩個結論卻能互相發明。

首先，我們必須知道，地球化學家主要的研究對象是大氣的底層（對流層）。而微隕粒墜入地球大氣，首當其衝的是大氣的上層，也就是距地面75公里以上的增溫層與外氣層。即使太古代的大氣底層缺乏氧，高層卻未必。也許高層的氧並不來自底層，而是自生的。例如大氣最外層裡的二氧化碳，透過紫外線驅動的光反應能釋出氧。湯欽斯的團隊認為，根據已有的證據，二氧化碳是最可能的氧源。不過他們承認，由於紫外線摧毀二氧化碳後會產生一氧化碳，而微隕粒中的一氧化碳並不多。

另一個可能的氧源是水。通常我們不會預期在大氣高層中發現水，現在的平流層便幾乎沒有水。但是根據另一組大氣專家的計算，大氣層越稀薄，低層的水氣越容易逸散到上層。而桑姆的計算結果正好是原始大氣很稀薄的證據。當然，湯欽斯的發現也可當做支持桑姆的計算結果的獨立證據。

不過，原始大氣為什麼那麼輕呢？那就是另一個問題了。

參考資料

The curious lightness of an early atmosphere. The Economist, pp. 65-66, May 14-20, 2016.

資料來源

《科學發展》2016年8月，524期，80 ~ 83頁

熔岩(1) 大氣層(5) 科發月刊(5210)

地球的原始大氣層

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