探秘空氣

王龍

揭開空氣的神秘面紗

在遠(yuǎn)古時代，空氣曾被人們認(rèn)為是不由其他任何物質(zhì)構(gòu)成的簡單物質(zhì)。歷經(jīng)幾代科學(xué)家的不懈努力，空氣的神秘面紗終于被揭開。

1674年，英國科學(xué)家梅猷在做蠟燭燃燒的實驗時，分別把燃燒著的蠟燭和小老鼠放在水中的玻璃罩內(nèi)。過了一段時間，他發(fā)現(xiàn)兩個瓶內(nèi)的水面都上升了一段。這說明玻璃罩內(nèi)的一些空氣消失了。后來，他進一步研究發(fā)現(xiàn)，剩余的空氣不能再支持其他可燃物的燃燒，也不能再支持動物呼吸。因此，他指出，消失的那部分空氣被燃燒和呼吸消耗掉了。這說明空氣不是單一的物質(zhì)，其中只有部分物質(zhì)能被燃燒和呼吸消耗。

1774年，法國化學(xué)家拉瓦錫提出燃燒的氧化學(xué)說，否定了之前的燃素學(xué)說。他在進行鉛、汞等金屬的燃燒實驗過程中發(fā)現(xiàn)，一部分金屬變?yōu)橛猩姆勰諝庠阽娬謨?nèi)的體積減小了原體積的1/5，剩余的空氣不能支持燃燒，動物在其中會窒息。他把剩下的4/5氣體叫作氮氣。在他證明了普利斯特里和舍勒從氧化汞分解制備出來的氣體是氧氣以后，空氣的組成才確定為氮氣和氧氣。

1785年，英國化學(xué)家亨利·卡文迪許用電火花使空氣中的氮氣跟氧氣化合，并繼續(xù)加入氧氣，使氮氣變成氮的氧化物，然后用堿液吸收而將之分離，再將剩余的氧氣用紅熱的銅除去，但始終殘余有1%的氣體不跟氧氣化合。當(dāng)時他認(rèn)為這可能是一種新的氣體，然而這種見解卻沒有受到化學(xué)家們應(yīng)有的重視。百余年后，英國物理學(xué)家雷利于1892年發(fā)現(xiàn)，從含氮的化合物中制得的氮氣每升重1.2501g，而從空氣中分離出來的氮氣在相同情況下每升重1.2571g，雖然兩者相差只有幾毫克，但已超出了實驗誤差范圍，所以他懷疑空氣中的氮氣中一定含有尚未被發(fā)現(xiàn)的較重的氣體。雷利沿用卡文迪許的放電方法從空氣中除去氧氣和氮氣；同時英國化學(xué)家威廉·拉姆塞把已經(jīng)除掉二氧化碳、水蒸氣和氧氣的空氣通過灼熱的鎂以吸收其中的氮氣。他們二人的實驗都得到一些殘余的氣體，經(jīng)過多方面試驗斷定它是一種極不活潑的新元素，定名為氬，原意是“不活動”，空氣中的氬氣就此被發(fā)現(xiàn)。

1868年8月18日在印度發(fā)生了日全食，法國天文學(xué)家嚴(yán)森從分光鏡中發(fā)現(xiàn)太陽光譜中有一條跟鈉D線不在同一位置上的黃線，這條光譜線是當(dāng)時尚未知道的新元素所產(chǎn)生的。于是他預(yù)測了這種元素的存在，并將其定名為氦（氦是拉丁文的譯音，原意是“太陽”）。

1898年，拉姆塞又在液態(tài)空氣蒸發(fā)后的殘余物里，先后發(fā)現(xiàn)了氪（拉丁文原意是“隱藏的”）、氖（拉丁文原意是“新的”）和氙（拉丁文原意是“生疏的”）。

1990年，德國物理學(xué)教授道恩在含鐳的礦物中發(fā)現(xiàn)了一種具有放射性的氣體，稱之為氡（拉丁文原意是“射氣”）。

就這樣，通過科學(xué)家們的不懈努力，空氣的神秘面紗被揭開：它無色、無味，主要成分是氮氣和氧氣，還有極少量的氦、氖、氬、氪、氙、氡等稀有氣體以及水蒸氣、二氧化碳、塵埃等。空氣的不變成分是氮氣、氧氣以及稀有氣體，可變成分是二氧化碳和水蒸氣。此外，空氣的不定成分因地區(qū)而異。例如，在工廠區(qū)附近的空氣就會因生產(chǎn)項目的不同，而分別含有氨氣、酸蒸氣等。另外，空氣還含有極微量的氫氣、臭氧、氮的氧化物、甲烷等氣體。灰塵是空氣里或多或少的懸浮雜質(zhì)。總的來說，空氣的成分一般是比較固定的。

空氣的前世今生

我們所說的空氣就是包圍地球的氣殼，也被稱為地球大氣。現(xiàn)在的大氣是由原始大氣經(jīng)歷一系列復(fù)雜變化才形成的。地球大氣層是隨著地球的形成而逐步演變的，經(jīng)過幾十億年的不斷演化，才成為今天的狀態(tài)。地球大氣的演化經(jīng)歷了原始大氣、次生大氣和現(xiàn)在大氣三個演變階段。

第一階段：原始大氣

原始大氣的形成與星系的形成密切相關(guān)。宇宙中存在許多原星系，它們最初都是一團巨大的氣體，主要成分是氫。之后，原星系內(nèi)的氣體，團集成許多中心，在萬有引力作用下，氣體分別向這些中心收縮。因此出現(xiàn)了許多原星體。越收縮則密度越大，密度越大則收縮越快，使原星體內(nèi)原子的平均運動速率越來越大，溫度也越來越高。當(dāng)溫度升高到1000萬攝氏度以上時，原星體會發(fā)生核反應(yīng)，出現(xiàn)四個氫原子聚變?yōu)橐粋€氦原子的過程。

在這一階段，地球大氣是以太陽星云氣體為主的還原型大氣。當(dāng)代天體化學(xué)和比較行星學(xué)研究成果表明，類木行星的大氣層主要是行星形成時俘獲的太陽星云氣體，其中H2約89%，He約11%，CH4約6×10%，以及稀有氣體如Ne、Ar、Xe等。由此推測，在胚胎階段地球原始大氣成分可能以H2、He為主。這層大氣壽命很短，在地球形成之后不久，便被太陽向外不斷散射的強烈的粒子流形成的太陽風(fēng)吹得無影無蹤了。同時，地球形成之初，質(zhì)量還不大，引力較小，加上內(nèi)部放射性物質(zhì)衰變和物質(zhì)融化引起能量轉(zhuǎn)換或增溫，使分子熱運動加劇，H2、He這些低分子量的氣體便逃逸到外層空間去了。

第二階段：次生大氣

發(fā)熱機制除使當(dāng)時大氣中較輕氣體向太空逃逸外，還起到為產(chǎn)生次生大氣準(zhǔn)備條件的另外兩種作用。一種作用是使被吸積的C1型碳質(zhì)球粒隕石中某些成分因升溫而還原，使鐵、鎂、硅、鋁等還原分離出來，由于它們的比重不等，造成了固體地球的重力不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。但由于它們都是固體，沒有自動做重力調(diào)整的可能。

另一種作用是使地球內(nèi)部升溫而呈熔融狀態(tài)。這一作用十分重要，因為它使原來不能做重力調(diào)整的不穩(wěn)定固體結(jié)構(gòu)熔融，可通過對流實現(xiàn)調(diào)整，發(fā)生了重元素沉向地心、輕元素浮向地表的運動。這個過程在整個地質(zhì)時期均有發(fā)生，但在地球形成初期尤為盛行。在這種作用下，地球內(nèi)部物質(zhì)的位能有轉(zhuǎn)變?yōu)楹暧^動能和微觀動能的趨勢。微觀動能即分子運動動能，它的加大能使地殼內(nèi)的溫度進一步升高，并使熔融現(xiàn)象加強。宏觀動能的加大，使原已堅實的地殼發(fā)生遍及全球的或局部的掀裂。這兩者的結(jié)合會導(dǎo)致造山運動和火山活動。在地球形成時被吸積并禁錮于地球內(nèi)部的氣體，通過造山運動和火山活動排出地表，這種現(xiàn)象被稱為排氣。地球形成初期遍及全球的排氣過程，形成了地球的次生大氣圈。

在地球形成初期，火山噴發(fā)的氣體成分以甲烷和氫為主，尚有一定量的氨和水汽。次生大氣中沒有氧，這是因為地殼調(diào)整剛開始，地表金屬鐵尚多，氧極易與金屬鐵化合而不能在大氣中留存，因此次生大氣屬于缺氧性還原大氣。次生大氣主要包括二氧化碳、甲烷、氨、水蒸氣、硫化氫等具有較大分子量的氣體。

第三階段：現(xiàn)在大氣

隨著紫外線對水的光解，大量的氧生成了，地球上開始了生命活動的歷程。光合作用生成了碳水化合物，這是植物細(xì)胞的基本構(gòu)成部分。在距今40億年前的最初階段，氧與次生大氣中的其他元素融合，在雷電、火山等條件下生成了單細(xì)胞。在距今30億～20億年前，原始生命——單細(xì)胞的藻類發(fā)展到開始通過光合作用釋放出氧氣。此時，海洋有效地阻擋了致命的紫外線輻射，使原始生命在海洋中繁衍起來。最后，高空氧逐漸增多，在光解作用下產(chǎn)生了臭氧層，它使透過大氣的紫外線大為減少，促使植物發(fā)展至海洋上層，又增加了光合作用的機會，從而促進了植物生命的大大發(fā)展。隨著這種相互間協(xié)調(diào)和增益過程的不斷推進，直到距今4億年前，生命終于跨過了漫長的歲月，從海洋登上了陸地，大氣層也漸漸演變成今天的樣子。

次生大氣轉(zhuǎn)化為現(xiàn)在大氣，與生命現(xiàn)象的發(fā)展關(guān)系最為密切。正如現(xiàn)在大氣中的二氧化碳，最初有一部分是由次生大氣中的甲烷和氧通過化學(xué)作用而產(chǎn)生的一樣，現(xiàn)在大氣中的氮，最初有一部分是由次生大氣中的氨和氧通過化學(xué)作用而產(chǎn)生。火山噴出的氣體中，也可能包含一部分氮。在動植物繁茂后，動植物的排泄物和腐爛遺體能直接分解或間接地通過細(xì)菌分解為氣體氮。雖然氧是一種活潑的元素，但氮是一種惰性氣體，所以在常溫下它們不易化合。這就是氮能積集成大氣中含量最多的成分，且能與次多成分氧并存于大氣中的原因。至于現(xiàn)在大氣中含量占第三位的氬，則是地殼中放射性鉀衰變的副產(chǎn)品。

地球自形成到現(xiàn)在，經(jīng)歷了原始大氣、次生大氣和現(xiàn)在大氣三個階段。但現(xiàn)在大氣的成分，也不是永不再變的，它將隨著今后自然條件的變化及人類活動的影響而發(fā)生變化。