漫談大氣

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               是一個仲秋的傍晚，即將告別的夕陽，綻放出它最美麗的光彩，將西天的雲彩染上耀目的豔紅。在地平線上，有一顆悸動的心靈，為此美景而反覆驚嘆。

              這樣的際遇，雖然是由諸多因素造成的，但是地球的大氣層，是少不了的功臣。沒有它，不會有美麗的夕照；沒有它，也不會有一顆悸動的心靈。

               然而，地球的大氣層，並不是一開始就像今天一樣。它是經過好幾個階段的演化，才形成今天的狀態。

在大約45億年前，太陽系（包括地球）剛要從一團宇宙星雲形成，這團星雲是以氫和氦為主，不過也有一些較重的原子。所以最初形成的地球外圍，有一層由氫和氦組成的大氣。不過，因為地球質量不大，所產生的萬有引力、不夠長期吸住像氫氣和氦氣這樣輕小的分子，所以還不到幾億年，這些氫氣和氦氣大都逃之夭夭了。

（形成太陽系的星雲，是屬於第三代的星雲。從這類星雲形成的恆星，被稱為「Population-I Star」。它們除了含原有始星雲的氫和氦之外，也包含了一些第一代、和第二代恒星所製造出來的較重的元素，例如碳、氧、矽、鐵……等等。）

               所幸，此刻地球的固態部份，同時在進行結構的調整：較重的物質傾向往核心移動，較輕的物質傾向往地表移動。 在這個過程移動中，一部分原本雜夾在裡面的水氣、甲烷、和阿摩尼亞，及少量的二氧化碳，被逐漸釋放出來，形成地球的第二次大氣層。這些分子要比氫和氦來得重，所以比較不會逃離地球。

             隨著地表溫度的逐漸降低，大氣層中的水氣逐漸凝結，形成海洋，也溶入了一些阿摩尼亞和二氧化碳，成就了生命可以繁衍的環境。其中一個重要的限制，是當時地球的大氣層裡，沒有可以阻擋紫外線的臭氧層，所以在陸地上的原始生命，很容易被紫外線摧毀。而海水，則提供了重要的保護。

               生命的演化，在海洋中緩慢地進行著。幾億年過去了，像「藍菌」（Cyanobacteria，昔稱「藍綠藻」）那樣稍微複雜的生物也逐漸出現了。藍菌在早期的生物群中有一個特色，就是它們能行光合作用，而產生氧。但是這些早期的氧，在被釋放至大氣之前，就被海水中的鐵離子綁架，行成氧化鐵，而從海水中析出。在這個時期，產生了不少層層包夾著氧化鐵的沉積岩，科學家稱之為「Banded Iron Formation」。其中最古老的樣本，有三十七億年的歷史。近代人類開採的鐵礦，也大都來自這類沉積岩。這個過程持續到大約24億年前，海水中的鐵離子用盡了，大氣中的氧氣才緩步上昇。（鐵離子溶於水，但是氧化鐵不溶於水。）

             當大氣中的氧氣脫離「微量」的階段時，出現了一個重要的發展：太陽光將大氣中氧分子的一小部分，轉變成臭氧。而這樣形成的臭氧層，則阻擋了紫外線到達地球表面，特別是殺傷力較大的C-段紫外線（UV-C）。隨著臭氧層的逐漸增加，生物慢慢可以開始從水裡發展到陸地上來了。隨後，許多陸地上的新生物，利用新生存空間裡面充足的陽光（但是沒有要命的 C-段紫外線），延續光合作用這條營生之路。而且開始出現了行比較有效率的「有氧代謝」（aerobic metabolism）的新生物。而原來行「無氧代謝」（anaerobic metabolism）的古生物則漸趨勢微。 在這樣的發展之下，不僅漸漸地增加了地球大氣中的氧氣，也慢慢地進一步減少了大氣中的二氧化碳。到了大約4億年前，地球的大氣組成終於接近到今天的狀態，也就是氧氣的濃度在20% 附近。

               從那之後到今天的4億年間，大氣中氧氣的濃度有過不小的波動，最高曾經飆到35%。當時也出現了一些會需要較多氧氣的生物，例如超大型的昆蟲。後來大氣中氧氣的濃度突降（原因尚未明），這類的生物便紛紛滅絕。所幸氧氣的濃度即使在最低點，也還有15%，所以地球上的生命，還是可以遵循有氧代謝的方向，繼續演化。 幾經波折，終於在大約20萬年前，演化出具有高度思考能力的智人（Homo sapiens）。

 

               地球的大氣其實極為單薄，目前的實質厚度大約只有地球半徑的千分之三，就好像蛋糕上面一層細薄的糖粉，但是它的歷史卻幾度曲折。地球上生命、知覺、與智慧的發展，也跟著峰迴路轉、九死一生。 譬如說：如果地球上的生命，還是遵循著老式的「無氧代謝」進行演化，至今能夠產生一顆會因彩霞而悸動的心靈嗎？ 其實還有不少更為基本的「如果」。例如說：如果地球的質量大一點或小一點？距離太陽近一點或遠一點？………

               「Cogito ergo sum」（中譯：我思故我在）是宇宙中的一種宿命？ 還是一個偶然呢？