我們每天都在呼吸空氣，空氣對於我們所有人來說是最熟悉不過的東西了。但是你了解空氣嗎？你知道空氣是從哪裡來、又是怎樣變成今天的樣子嗎？下面我們就來講講空氣的歷史。

我們今天呼吸的空氣中，大約有78.08%的氮氣、20.95%的氧氣、0.93%的氬、0.04%的二氧化碳和痕量的其它氣體。空氣中還含有水，正如我們平時所見的一樣，水在空氣中的分布並不平均，有些地方的空氣很乾燥，雲霧中含有大量的水，海洋表面空氣中的水氣濃度大約為1%。平均計算的話，在整個大氣層中大約含有0.4%體積的水氣，看起來很少，但考慮到整個大氣層的質量超過了5千萬億噸，所以空氣中的水也是一個非常龐大的數字。

水是地球生命之源，當地球最開始形成時，空氣中還沒有氮氣和氧氣，但已經有了水。

地球形成之初

宇宙中分布最廣泛、數量最多的元素是氫。在太陽系形成之前的星雲里，氫也是最重要的元素之一，它們聚在一起形成了太陽、木星和土星，天王星和海王星的大氣中至今都含有大量的氫和氦，最早的地球表面空氣中也一樣有許多氫氣和氫的化合物，比如甲烷、氨氣和水。

與水星、金星和火星一樣，地球是比較靠近太陽的內行星，它由大量比較重的元素構成，而氫、氦這樣輕的元素則大多被強烈的太陽風吹到了太陽系的外圍，構成外行星的主要部分。靠近太陽的吸積盤中的大量碎屑、塵埃和氣體相互吸引、碰撞、擠壓，逐漸變成小行星、星子，再由星子一點點吸引更多的碎屑慢慢長大成行星。

地球在慢慢長大的過程中由於受到軌道上大量碎塊和小行星的撞擊，加上內部物質相互間的擠壓、放射性物質衰變產生熱量，導致在最初的幾億年間地球表面火山頻發，幾乎處於沸騰的狀態。在這個過程中，地下大量的氮氣、水蒸氣和二氧化碳被火山帶到地表，散發到空氣中，而氫氣由於更輕，它們處於大氣層的最外圍，一點一點地被太陽風剝離，吹散到太空中。這就是為什麼氫氣在宇宙中非常多，而在地球空氣中極稀少的原因。

氧氣的產生

如果你在27億年前來到地球，這裡依然是沒有氧氣的。儘管已經歷經了近20億年的漫長演化，地球表面依然是死寂的世界，空氣中的氮氣數量與今天差不多，二氧化碳的濃度很高。儘管當時的太陽沒有今天亮，也沒有今天這麼熱，但二氧化碳與水蒸氣一樣都是溫室氣體，它們為地球保溫。

一個令人欣喜的現象是，在地球廣闊的淺海區域和陸地的湖泊中，開始出現大量的原核生物和真核生物，它們是古老細菌和藍藻細菌。這些細菌不需要氧氣，它們依靠太陽的光合作用將空氣中的二氧化碳轉化為氧氣。而當它們死亡後就會沉積到水底，由於水裡面的氧氣含量也極低，所以這些有機沉積物大部分不會被氧化，它們逐漸堆積，最終形成今天的石油。

儘管有大量細菌和藻類吸收二氧化碳，每年產生約 15.8 ± 3.3 T mol (1 T mol = 10¹² 摩爾，1摩爾氧氣=32克，) 超過5億噸氧，二氧化碳數量在減少，但在幾億年的時間裡地球空氣中的氧氣並沒有怎麼增加，氧氣去了哪裡？

它們被吸收掉了。我們知道氧氣有強氧化性，當時的地球表面，包括海洋中有大量的游離鐵、鐵離子以及其它的金屬離子，這些鐵會迅速還原氧，形成Fe₃O₄和Fe₂O₃，這些氧化鐵不溶於水，它們會慢慢沉積，最終形成我們今天的磁鐵礦和赤鐵礦。

直到地球表層的鐵離子和其它容易被氧化的金屬離子都被氧化後，空氣中的游離氧氣才迅速增加，這時候二氧化碳水平大幅下降，但還沒有降到今天的水平，因為氧氣會與空氣中的甲烷氣體發生化學反應產生新的二氧化碳和水。

氧氣的危與機

甲烷是一種比二氧化碳更強的溫室氣體，由於地球空氣中大量的二氧化碳被細菌和藍藻消耗、新產生的氧氣又氧化了甲烷，太陽光照度又不強，這直接導致24億年前地球表面溫度下降，進入第一個冰河時期。

空氣中二氧化碳的急劇減少、氧氣的大量增加、大量物質被氧氣氧化以及由此帶來的全球氣溫下降，這一系列事件被地質學家們稱為「大氧化事件」。

儘管當時空氣中的氧氣濃度還不到今天的10%，但大量產生的氧氣足以殺死那些厭氧細菌，因為它們不能在氧氣環境中生存，因此「大氧化事件」又被稱為「氧氣災難」或「氧氣屠殺」，厭氧細菌們被它們自己排出的氧氣給憋死了。

好在自然界總是在不斷進步著，厭氧細菌的大量死亡為好氧細菌、依賴氧氣進行細胞呼吸的真核生物以及多細胞生物騰出了生存空間。在其後的10億年時間裡，大量動植物開始在地球上出現。

氧氣的高峰

在第一次冰期出現之後的10億年間，地球空氣中的氧氣含量基本維持在今天10%的水平，沒有太大的變化。隨著10億年前地球上開始大量出現植物，空氣中氧氣含量開始飆升，到3億年前的石炭紀時期，空氣中的氧氣含量達到空前的35%水平。

我們知道今天氮氣與氧氣的比例大致維持在4:1的水平，氮氣不活潑，它在空氣中的含量很少發生變化，為什麼氧氣會達到35%的比例呢？一種可能的解釋是，地球陸地繁盛的植物一方面產生更多的氧氣，同時又通過固氮作用將更多的氮氣固定在地面，從而導致氮氧比例的失衡。

氧氣濃度的上升被認為是進化多樣化的幾個驅動因素之一，儘管有許多學者質疑這種論點，因為氧氣濃度與進化速率之間的一致模式並不明顯。但不可否認的是，隨著地球空氣中氧氣的大量增加，生命的繁衍越來越迅速，生物進化的進程也大大加快了。

在人類工業化進程開始之前，空氣中二氧化碳的濃度呈現逐步減少的趨勢。隨著地球溫度的緩慢降低，火山活動越來越少，由火山噴髮帶到地面的二氧化碳也一點點地減少。因溫室氣體減少在數億年來已經引發多次冰期，冰期反過來又抑制植物將二氧化碳轉化為氧氣的速度，加上大量動物和好氧細菌大量消耗氧氣排出二氧化碳，從而形成氣候的動態平衡。

總結

我們今天所呼吸的空氣中，絕大部分的氣體並不是一開始就存在於地球表面的，火山噴發將氮氣、二氧化碳和水帶到了地面，水中大量繁殖的厭氧細菌將二氧化碳還原，它們排出氧氣，把碳留在了地下，形成今天的石油。

空氣中二氧化碳的減少並不意味著氧氣的增加，早期絕大多數的氧氣與鐵生成鐵礦，直到20億年之後，少量的氧氣才出現在空氣中。

真正為我們今天空氣做貢獻的是5億年前陸地上大量出現的植物，它們一度將氧氣含量推高到35%，與此同時溫室氣體的大量消耗也帶來了冰川，使地球變得冰冷。

人類有改變自然的能力，正因為如此，我們更應該了解自然，敬畏自然，如果盲目地開發地球、破壞幾十億年來形成的自然平衡，災難很可能會降到我們頭上。