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地球的原始大氣層

由研究澳洲太古代的熔岩得知,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。
 
 
 
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
  1. The curious lightness of an early atmosphere. The Economist, pp. 65-66, May 14-20, 2016.
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