科普-中华学生百科全书-第975章
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富。
大气圈
在地壳外面的广阔空间，是地球的“大气圈”。人们常称它是地球的外
衣。谁都知道，作为地球环境要素之一的大气，是各种生命不可须臾缺少的
东西。但你可曾知道，如今的大气，早已不是原来的大气了，而是至少经过
两次“更新”之后的第三代大气。
现在笼罩着地球的大气，其厚度在 3000 公里左右，通常称之为大气层或
大气圈。它的总质量并不大，仅相当于地壳总质量的 0．05％。大气圈在结构
上，自下而上依次可分为对流层、平流层、中间层、热层和外层。
对流层 从海平面到 18 公里高空，占大气总量的 80％。对流层里气象万
千，冷热空气上下对流，兴云造雨，下雪降霜，电闪雷鸣都在这里发生。
平流层 从对流层顶到 50～55 公里的高空。此处空气稀薄，水汽和尘埃
含量极少，很少有天气现象，气流平稳，是高速喷气机最理想的飞行区域，
平流层中含有大量臭氧，因此又得名“臭氧层”。它能吸收太阳辐射中 90％
的紫外线，像地球的贴身“防弹衣”一样，使地面生命免遭紫外线伤害。
中间层 从平流层顶到 80～85 公里的高空。它负责吸收太阳的远紫外线
和 X 射线，使大气中的氧和氮分子离解成原子和离子。该层的温度随高度增
加而降低。
热层 从中间层顶到 500 公里处的高空。这一层的温度很高，气温昼夜变
化很大。
外层 500 公里以外高空，是地球大气层向星际空间过渡的区域，它有两
条辐射带和一个磁层。磁层在 5～7 万公里的高处，它是地球大气的最外层，
它像一道挡风的钢铁长城，保护地球生物，免受太阳风的致命打击。
在 50～1000 公里处有一个电离层，分为 D、E、F1、F2 四层，里边的气
体基本都是电离的。地球上的短波无线通讯都靠电离层的反射。80～500 公
里区域，电离密度较小，美丽的北极光就出现在这层。
从成分上说，大气是一种混合物，其组成相当简单。它由不同成分的、
具有不同的性质和功能的物质以适当比例相配备，为有机世界的生存和发
展，提供了有利的条件。现代靠近海平面的干洁空气的组成是：
可是，地球的早期大气却完全不是这样的。
地球脱胎于星云，而星云的主要成分是氢和氦。可想而知，地球的第一
代大气是以氢和氦为主的。不过，地球在形成之初，由于其体积还很小，没
有足够的重力把这些气体挽留在自己周围。因此，最初的地球无法拥有大量
的气体。有如现在的月球或小行星那样。后来，随着地球不断吸引和兼并它
周围的固体颗粒，体积和质量不断增大，地球的引力也不断增大，并可以把
原始的气体吸引在自己周围，便形成了以氢、氦为主的第一代大气。由于这
些大气分子很轻，在阳光照射下异常活跃，很容易逃逸出地球。
随着地球的进一步增长，以及地球内部温度的升高，在地球内部圈层分
化的同时，从地球的内部不断有气体产生出来，这就是地球的第二代大气。
其主要成份可能是水（H2O）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）
和氨（HN3），此时还没有动植物呼吸所必需的游离氧。第二代大气产生于火
山喷发或从地球物质中渗出，人们根据当今火山喷发产生的气体和某些陨石
上所发现的气体成分证实了这一点。
至于第二代大气是怎样演化成现代大气的，这个过程比较复杂，但在演
化过程中起关键作用的是绿色植物。因为绿色植物通过光合作用能够吸收二
氧化碳，释放出游离氧，从而把还原大气变成氧化大气，使第二代大气的成
分发生重要变化。
在距今 30 亿年以前，地球上出现了原始的低等植物——蓝绿藻。这是地
球大气由还原大气变成氧化大气的关键性的事件。在距今 6 亿年以前，绿色
植物在海洋中得到大量繁殖与发展，并占据优势。在距今 4 亿年以前，绿色
植物开始在陆地上出现。这样，使得在大气中的游离氧不断增多。同时，还
原大气的氧化过程被加速。在氧化过程中，一氧化碳逐渐转变成二氧化碳；
甲烷逐渐成为二氧化碳和水；氨逐渐转变成水汽和氮。很明显，这时的大气
还不是氧化大气，而是以二氧化碳逐渐占据优势的大气。只是由于绿色植物
光合作用的持续作用，大气中的二氧化碳才得以日益减少，而游离氧日益增
多。有人估计，当大气中游离氧达到现代大气氧的 1％的时候，就可能出现
有效的臭氧层。它对太阳紫外线起屏障作用，可保护地球上生命免遭紫外线
伤害。游离氧是生物发展的产物，反过来它又促进生物界的发展。
大气中氮气的增多，除了与游离氧有关外，还取决于生物的发展。生物
在其生存期间，需吸收环境中含氮化合物，在体内合成蛋白质等复杂的有机
物。当动物及其排泄物腐烂时，蛋白质一部分转变为氨和铵盐，另一部分直
接转变为氮；氨在游离氧的作用下又释放出氮。由于氮的化学性质不活泼，
在常温下不与其它元素结合，所以它在大气中会越积越多，终于成为大气的
主要成分。
总之，在绿色植物的光合作用下，由于二氧化碳不断减少和氧、氮不断
积累，终于使得地球的第二代大气演化成了现代的第三代大气。
地球生命的保护伞
在地球大气由原始大气演化为还原大气时，由于太阳辐射，产生了光致
离解效应。将水分子分解为氢和氧，分解出的氢逃逸出大气层，比氢重的氧
留了下来。性能活泼的氧除了与其他元素化合外，还有一部分形成了臭氧
（O3）。
臭氧（O3）是氧（O2）分子的一种同位素，它主要分布在地球大气的平
流层里，在海拔 25 公里附近密度最大。因此，科学家又把海拔 25 公里附近
的大气层叫做臭氧层。据估计，在海拔 10～50 公里范围内，臭氧占整个地球
所拥有的臭氧总量的 97％以上。但是，与地球大气相比，还不到地球大气总
量的 1％。
臭氧含量虽少，但却维系着地球万物生灵的命运。因为强烈的太阳紫外
线对生物会产生致命的危害，它会破坏生物体内的生殖分子和 DNA（细胞的
脱氧核糖核酸，它起着制造和传递遗传信息作用），引起细胞异变和一些疾
病。紫外线对蛋白质也有破坏作用。而 DNA 和蛋白质对光线的吸收主要集中
在紫外线波段。
臭氧能吸收太阳紫外线，使大气下层的氧分子不再被分裂。被吸收的太
阳紫外线能烤热臭氧及周围的空气，形成高于同温层的空气层，就好像在汹
涌澎湃的对流层上的一把保护伞，挡住了大部分的太阳紫外线，使地球上的
生物免遭紫外线的致命伤害。正因为地球大气中有了臭氧层这个天然屏障，
远古的生物才能从海洋过渡到陆地，而发展成形形色色的生物界，我们人类
以及地球上的所有生灵才能安然无恙地生活在地球上。
如果大气层中的臭氧含量减少，到达地面的太阳紫外线就会明显增强，
地球上的生物就会遭殃了。
水圈
在地球上，很少有什么物质会像水那样变幻多端，分布广泛。上至高层
大气，下至地壳深处，几乎处处都有水的踪迹和水的影响。相互沟通的世界
大洋，陆地上的江河湖泊，以及埋藏于地表下面的地下水等，它们互相连通，
共同构成了我们这个星球上所特有的“水圈”。在地球上的总水量中，海水
约占 97％，其余 3％存在于冰川、江河、湖泊、地下和大气中。如果我们把
地表看做是很平坦的，将地球水均匀覆盖其上，那么全球将成为一个平均水
深 2745 米的水球。水是生命的摇篮，也是一切生命机体活动必不可少的基本
要素。
在太阳系中，地球是唯一拥有液态水的天体。水占地球表面积的 77％（为
此，有人提议地球应改名为“水球”），总量达 145 亿亿吨。这还不算矿物
所含的结构水和结晶水，也不包括生物体中的水（生物机体的 2／3 是水组成
的）。
你一定会问，这么多的水是哪里来的呢？
传统说法，地球上的水是地球形成时，从星云物质中带来的。星云物质
由三大类物质组成：一类是气物质，如氢和氦，约占星云物质的 98．2％；另
一类是冰物质，如水冰、氨、甲烷等，约占 1．4％；第三类是土物质，主要
有铁、硅、镁、硫等与氧的化合物，是些温度高达 1000℃左右时仍是固态的
物质。地球是土物质组成的，但仍有一小部分冰物质，这便是地球水的来源。
1961 年，科学家托维利提出，地球水是太阳风的杰作。太阳风是太阳外
层大气向外逸散出来的粒子流。从地球形成至今，地球从太阳风中吸收氢的
总量达 1．70×1023克。如果这些氢全部与地球上的氧结合，可产生1．53×1024
克的水，恰恰接近地球水的总量 1．43×1024克。
不久前，美国人弗兰克等人又提出一个假说：地球水来自太空冰球。这
位科学家研究了 1981～1986 年以来人造卫星发回的数千张地球大气紫外线
辐射图像，发现在圆盘形的地球图像上总有一些小黑斑。这些小黑斑都很短
命，仅存在两三分钟。经多次分析和否认了其他一切可能后，他们认为这些
小黑斑是由一些看不见的冰块组成的小彗星，撞入地球外层大气后破裂、融
化成水蒸气而造成的。估计每分钟约有 20 颗平均直径为 10 米的这种冰球坠
入地球，每年可使地球增加 10 亿吨水。地球形成 46 亿年，总共可从这种冰
获得 460 亿亿吨水，是现在地球水总量的 3 倍多。扣除蒸发的水分、矿物质
和岩石，以及生物机体内含有水分，仍富富有余。所以，这一假说因无法自
圆其说，也遭到了人们怀疑。
地球之水究竟来自何方？还有待于人类继续探索。
生物圈
在地球发展的最初阶段，地球上本没有任何生命现象。由于地球本身的
特有性质和它在太阳系中得天独厚的位置，决定了地球上物质的进一步演
化。地球上自从有了原始的地壳、大气圈和水圈，生命便合乎规律地出现和
发展了。
现在多数人认为，生命是由无生命的物质转化来的。这种转化，需要有
一定的物质条件，即必须具备甲烷、氨、水汽和氢等，而这些物质在原始大
气中是大量存在的。实现这种转化，还需要有一定的能量，而来自太阳的紫
外线、大气中的电击雷鸣和地下的火山熔岩等都是重要的能源。所以，在原
始地球上，实现从无生命到有生命物质的这种转化，便具备了可能性。
为了模拟这种转化过程，本世纪 50 年代美国科学家米勒成功地做了一个
实验。他在封闭的容器里，按照原始大气的成分，装满甲烷、氨、水汽和氢，
并使之保持一定的温度。同时，在容器中不断地点燃电火花。这样，在经过
一定时期的连续作用之后，终于产生出了有机分子。后来，又有人多次重复
米勒的实验，并加入多种�
