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地球大氣的氮氣含量高達78%,是氧氣的3.7倍,這些氮氣是哪來的?

如果有人問起,地球大氣中的最主要的氣體是什麽?可能有不少人第壹時間想到的答案是氧氣,然而實際情況卻是,地球大氣中的最主要的氣體是氮氣。測量數據顯示,地球大氣的氮氣含量高達78%,而氧氣含量大約只有21%,相比之下,地球大氣中的氮氣含量大約是氧氣的3.7倍。

太陽系形成於壹片巨大的原始星雲,這被稱為“太陽星雲”,在大約46億年前,這片星雲發生了引力坍縮,隨著星雲的體積不斷縮小,其核心區域的物質越來越密集,溫度和壓力也隨之不斷攀升,當達到壹定程度的時候,太陽就誕生了。

在此之後,星雲中的殘留物質繼續圍繞著太陽旋轉,並逐漸形成了太陽系中的各種天體,而我們的地球就是其中之壹。

如上圖所示,在宇宙中的元素比例是很不均勻的,其中氫和氦占據了大約98%的質量,在其他的2%之中,氧、碳、氖、鐵、氮、矽、鎂、硫這8種元素又占據了絕大多數,而“太陽星雲”中元素比例也基本與之等同,這就意味著,“太陽星雲”的氮元素含量其實是比較高的,這也為地球擁有大量的氮氣打下了物質基礎。

在“太陽星雲”中,氫元素所占的比例極高,而排名第二的氦元素又是已知元素中最不活潑的元素,於是“太陽星雲”中的氮元素基本上都與氫元素結合成了化合物,其中主要是氨(NH3)。

由於氨氣比較重(分子量大約為17),地球的引力足以將其束縛住,因此地球的原始大氣中就含有大量的氨氣,在接下來的時間裏,太陽光中的短波輻射會不斷地將氨氣分解成氮氣和氫氣(反應方程式為:“2NH3 = 3H2 + N2”)。

由於氫氣的分子量大約為2,地球引力無法對其進行有效的束縛,因此這些氫氣會很快從地球大氣層頂逃逸,而氮氣的分子量大約為28,比氨氣還重,因此它們就會留在地球的大氣層中,隨著這個過程的持續,地球大氣中就擁有了大量的氮氣,因為氮氣是壹種惰性氣體,所以這些氮氣就長久地留存了下來。

太陽系中的木星、土星、天王星和海王星都是巨行星,它們的引力能夠束縛住氫氣和氦氣,正如前文所言,“太陽星雲”中絕大多數元素都是氫和氦,因此這四顆巨行星的大氣層都是以氫氣和氦氣為主,相對而言,它們吸積到的氨氣所占的比例是極少的。

由於重力分異的原因(即重的物質下沈,輕的物質上浮),氨氣會向這些巨行星的大氣層底部下沈,在這種情況下,氨氣就無法被太陽光中的短波輻射分解了。

除了地球之外,太陽系中還有三顆巖石行星,其中水星太小,距離太陽又非常近,因此它是沒有大氣層的,而火星也不大,大氣層本來就很稀薄,因此它的大氣層中的氮氣不多也是可以理解的,剩下的就只有金星了。

金星大氣中的氮氣含量約為3.5%,相比之下,地球大氣的氮氣含量卻高達78%,看上去似乎地球大氣中的氮氣比金星還要多,但事實卻並非如此。

要知道金星的大氣層比地球濃密得多,以至於其表面大氣壓是地球的大約92倍,只不過金星大氣層中有超過95%的氣體都是二氧化碳,這才讓其大氣中的氮氣含量看上去很低。

實際上,金星大氣中的氮氣總質量是地球的3倍多,其實這不難理解,畢竟金星的形成位置離太陽更近壹點,因此可以吸積到更多的氮氣來源——氨氣。

值得壹提的是,地球上存在著兩種消耗二氧化碳的機制,壹種是地球大氣中的二氧化碳可以與液態水反應生成碳酸,而碳酸又可以與其他元素(如鈣、鎂)反應生成碳酸鹽,接下來,這些碳酸鹽會不斷沈澱下來,並在漫長的時間裏隨著地球的地質運動進入地球內部。

另壹種機制就是地球上的植物和藻類的光合作用,它們能夠利用太陽光的能量,將二氧化碳轉化成氧氣和有機物(地球大氣中的氧氣也是因此而來),在這兩種機制的作用下,地球上的二氧化碳就不會像金星那樣在大氣中堆積。

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