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地球大气的氮气含量高达78%,是氧气的3.7倍,这些氮气是哪来的?

发布时间:2021/12/26 13:42:45 人气:2

如果有人问起,地球大气中的最主要的气体是什么?可能有不少人第一时间想到的答案是氧气,然而实际情况却是,地球大气中的最主要的气体是氮气。测量数据显示,地球大气的氮气含量高达78%,而氧气含量大约只有21%,相比之下,地球大气中的氮气含量大约是氧气的3.7倍。

地球大气的氮气含量高达78%,是氧气的3.7倍,这些氮气是哪来的?


地球大气中为什么会有这么多的氮气?这些氮气是哪来的?

太阳系形成于一片巨大的原始星云,这被称为“太阳星云”,在大约46亿年前,这片星云发生了引力坍缩,随着星云的体积不断缩小,其核心区域的物质越来越密集,温度和压力也随之不断攀升,当达到一定程度的时候,太阳就诞生了。

在此之后,星云中的残留物质继续围绕着太阳旋转,并逐渐形成了太阳系中的各种天体,而我们的地球就是其中之一。

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如上图所示,在宇宙中的元素比例是很不均匀的,其中氢和氦占据了大约98%的质量,在其他的2%之中,氧、碳、氖、铁、氮、硅、镁、硫这8种元素又占据了绝大多数,而“太阳星云”中元素比例也基本与之等同,这就意味着,“太阳星云”的氮元素含量其实是比较高的,这也为地球拥有大量的氮气打下了物质基础。

在“太阳星云”中,氢元素所占的比例极高,而排名第二的氦元素又是已知元素中最不活泼的元素,于是“太阳星云”中的氮元素基本上都与氢元素结合成了化合物,其中主要是氨(NH3)。

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由于氨气比较重(分子量大约为17),地球的引力足以将其束缚住,因此地球的原始大气中就含有大量的氨气,在接下来的时间里,太阳光中的短波辐射会不断地将氨气分解成氮气和氢气(反应方程式为:“2NH3 = 3H2 + N2”)。

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由于氢气的分子量大约为2,地球引力无法对其进行有效的束缚,因此这些氢气会很快从地球大气层顶逃逸,而氮气的分子量大约为28,比氨气还重,因此它们就会留在地球的大气层中,随着这个过程的持续,地球大气中就拥有了大量的氮气,因为氮气是一种惰性气体,所以这些氮气就长久地留存了下来。

在太阳系其他行星的大气中,为什么没有地球这么多的氮气呢?

太阳系中的木星、土星、天王星和海王星都是巨行星,它们的引力能够束缚住氢气和氦气,正如前文所言,“太阳星云”中绝大多数元素都是氢和氦,因此这四颗巨行星的大气层都是以氢气和氦气为主,相对而言,它们吸积到的氨气所占的比例是极少的。

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由于重力分异的原因(即重的物质下沉,轻的物质上浮),氨气会向这些巨行星的大气层底部下沉,在这种情况下,氨气就无法被太阳光中的短波辐射分解了。

除了地球之外,太阳系中还有三颗岩石行星,其中水星太小,距离太阳又非常近,因此它是没有大气层的,而火星也不大,大气层本来就很稀薄,因此它的大气层中的氮气不多也是可以理解的,剩下的就只有金星了。

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金星大气中的氮气含量约为3.5%,相比之下,地球大气的氮气含量却高达78%,看上去似乎地球大气中的氮气比金星还要多,但事实却并非如此。

要知道金星的大气层比地球浓密得多,以至于其表面大气压是地球的大约92倍,只不过金星大气层中有超过95%的气体都是二氧化碳,这才让其大气中的氮气含量看上去很低。

实际上,金星大气中的氮气总质量是地球的3倍多,其实这不难理解,毕竟金星的形成位置离太阳更近一点,因此可以吸积到更多的氮气来源——氨气。

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值得一提的是,地球上存在着两种消耗二氧化碳的机制,一种是地球大气中的二氧化碳可以与液态水反应生成碳酸,而碳酸又可以与其他元素(如钙、镁)反应生成碳酸盐,接下来,这些碳酸盐会不断沉淀下来,并在漫长的时间里随着地球的地质运动进入地球内部。

另一种机制就是地球上的植物和藻类的光合作用,它们能够利用太阳光的能量,将二氧化碳转化成氧气和有机物(地球大气中的氧气也是因此而来),在这两种机制的作用下,地球上的二氧化碳就不会像金星那样在大气中堆积。


好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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