地球大气的成分

地球大气层是指构成通常所说的“空气”的所有气体层。它含有各种类型的气体，从自然产生的气体到因污染或工业活动排放而添加的气体，并具有重要功能，同时也是支持地球生命的主要组成部分。

地球大气的组成是指大气中每种组成气体的数量。这是通过摩尔分数法计算的，根据2023年最新记录，地球大气的主要成分是氮气占78.08%，氧气占20.95%，氩气占0.93%。

其次是微量气体，它们合计占大气层的不到0.1%：二氧化碳为419 ppm，氖为18.18 ppmv，氦为5.24 ppmv，甲烷为1.89 ppm，氢气为0.56 ppmv，一氧化二氮为0.33 ppmv，一氧化碳为40至200 ppbv，臭氧为10至200 ppbv，甲醛为0.1至10 ppbv，氮氧化物（NOx）为10 pptv至1 ppmv，氨为10 pptv至1 ppbv，二氧化硫为10 pptv至1 ppbv，二甲基硫为几ppt到ppbv，最后是根据地区而变化的排放物中的氯氟烃（CFCs）。

最重要的气体

氮气（N2）

这是地球大气中最丰富的气体，约占干燥空气的78%。然而，尽管其数量远大于其他气体，但按重量计算，它仅占地壳的0.005%。氮气非常稳定，需要大量能量才能改变形态。植物和动物的生长和繁殖都需要氮气。

这是因为氮气是生成氨基酸所必需的，氨基酸是蛋白质的组成部分，也参与DNA的生成，DNA携带着后代的遗传数据。此外，人体组织也需要蛋白质进行生长和修复。蛋白质并非氮气唯一的职责，血红蛋白中的血红素也需要氮气。氮气并不是由人类、动物和植物直接摄取和利用的，而是通过氮循环过程实现的。

氮循环

氮循环描述了氮如何在空气、陆地和海洋中移动时转化为不同的化学形式。它通过自然和生命过程经历各种变化。这些变化包括固氮作用（将氮转化为植物可利用的化合物）、氨化作用（将有机氮转化为氨）、硝化作用（将氨转化为硝酸盐）和反硝化作用（将氮释放回大气）。这个循环在维持生态系统中的氮平衡方面起着至关重要的作用。

1. 固氮作用：当氮气（N2）通过大气、工业和生物体中发生的各种过程转化为硝酸盐和亚硝酸盐时，这被称为固氮作用。这种转化至关重要，因为空气中的氮需要转化为植物可以吸收的形式。
   雷击每年为这一过程贡献约50至100亿公斤，但大部分固氮作用是由被称为固氮细菌的特殊细菌完成的，它们或自由生活，或与其它生物共生。
2. 同化作用：植物通过它们的根毛，具备从土壤中吸收硝酸盐或铵盐的卓越能力。当吸收硝酸盐时，它会经历一个过程，转化为亚硝酸离子，然后进一步转化为铵离子。这些铵离子随后被植物利用，以构建诸如氨基酸、核酸和叶绿素等必需成分，这些成分对其生长和发育至关重要。
3. 硝化作用：生活在土壤中的细菌和一组特殊的硝化细菌在将铵转化为硝酸盐的过程中起着关键作用。这个过程被称为硝化作用，包括两个主要步骤。首先，像亚硝化单胞菌这样的细菌通过将铵（NH4+）转化为亚硝酸盐（NO2-）来启动这个过程。
   然后，另一组细菌，如硝化杆菌，介入以进一步将这些亚硝酸盐转化为硝酸盐（NO3-）。不同细菌种类之间的这种协作有助于氮化合物的转化，最终使土壤富含硝酸盐，而硝酸盐是植物必需的营养物质。
4. 反硝化作用：反硝化作用标志着将硝酸盐还原为氮气（N2）的关键一步，从而完成了氮循环的闭合。在缺氧的厌氧环境中，包括假单胞菌和副球菌在内的特化细菌负责这项任务。在这个过程中，它们在呼吸时使用硝酸盐作为电子受体，而不是氧气。

氧气（O2）

氧气是大气中含量第二丰富的气体，在生物圈中以有机分子（CxHxNxOx）的形式占22%的体积，在水圈中作为水分子和碳酸（HxCO3）的一部分占33%的体积，在岩石圈中作为氧化物和二氧化硅矿物占46.6%的体积。氧气是地球生命最重要的组成部分之一。

正是这种气体使得人类和动物能够进行呼吸。这些物种没有氧气是无法生存的。氧气还负责在体内产生能量。它还支持燃料、木材和任何易燃物体的燃烧，从而产生热量和能量。它通过细菌的帮助分解任何有机物。

臭氧：高海拔地区的臭氧（O3）是氧气（O2）的一种变体，它能屏蔽太阳发出的紫外线辐射，已知这种辐射会导致个体患皮肤癌。氧气是水（H2O）的组成部分，这是地球上生命得以存在的主要原因。它还通过与氮气和其他气体反应，帮助生成亚硝酸盐和氧化物。

氧循环

氧循环是一个自然过程，它描述了氧气在空气、生物体和地壳中循环的旅程。氧循环展示了氧气在这些区域是如何产生和利用的。这个循环涉及氧原子在离子、氧化物和分子等各种形式之间的移动，通过称为氧化还原反应的化学反应促进。从本质上讲，这是一个复杂但至关重要的过程，它确保了氧气在地球所有环境中的生命活动中可用。

二氧化碳（CO2）

二氧化碳不被视为大气的主要组成部分，含量为0.04%，落后于氩气。然而，与氩气相比，二氧化碳的贡献要大得多，在大气中占有非常重要的地位。首先，二氧化碳是一种温室气体，它能够捕获部分太阳热辐射，使地球变暖，过量排放是全球变暖的主要原因之一。

但同时，二氧化碳也是热能收支中一个非常重要的因素。它对于植物进行光合作用也至关重要，这不仅对植物的生命过程很重要，而且对依赖氧气呼吸和生存的其他物种也很重要，因为植物通过光合作用产生氧气并将其释放到大气中。

正如氧气是动物和人类生命的必需品一样，二氧化碳是植物生命的必需品。它也是肥料和塑料的组成部分，通过与氨反应并生成化合物尿素。它通过生成碳酸来保存和碳酸化饮料。它还是一种极佳的灭火剂，其固态形式提供了干冰，干冰有其自身的应用和用途。

碳循环

碳循环是地球生物地球化学过程的关键组成部分，涉及碳在地球不同圈层之间的交换：生物圈（生物）、土壤圈（土壤）、岩石圈（岩石）、水圈（水）和大气圈（空气）。这个循环包含一系列重要的事件，使地球能够支持生命。

本质上，碳循环追踪碳的持续运动和转化。它说明了碳在生物圈内如何循环和再利用，并包括碳从各种被称为碳汇的自然储存库中长期储存和释放。这些过程确保了碳，这一生命必需元素，以不同的形式和位置存在于地球的各个系统中。它分为几个主要的碳库。

1. 大气层：地球大气中存在的碳主要有两种形式：二氧化碳和甲烷。植物通过光合作用过程吸收空气中的二氧化碳并将其整合到其结构中，从而在去除二氧化碳方面发挥关键作用。
   同样，海洋直接从空气中吸收二氧化碳，并通过降水（例如雨水）吸收溶解的二氧化碳。在水中，二氧化碳与水分子结合形成碳酸，这一过程导致海洋整体酸化。
2. 陆地生物圈：这涵盖了存在于陆地生物体中的有机碳，无论其存活与否。大量碳，总计约500千兆吨，存在于植物和各种其他生命形式的地上部分，而土壤中则含有约1,500千兆吨的碳。
   值得注意的是，陆地生物圈中的大部分碳以有机形式存在，尽管约三分之一的土壤碳以无机形式存在，如碳酸钙。这种有机碳是地球上生命的基本组成部分。
3. 海洋：海洋分为表层和混合层。碳主要通过空气中的二氧化碳溶解到海水中进入海洋。其中一小部分溶解的二氧化碳会转化为碳酸盐。此外，碳还可以通过河流以溶解有机碳的形式进入海洋。
   海洋生物通过光合作用将这些碳转化为有机物，发挥着关键作用。这些有机碳随后可以通过食物网传播，或者以死亡有机物或贝壳中的碳酸钙形式沉入海洋深处。
4. 岩石圈：岩石圈中约80%的碳储存在石灰石及其相关化合物中。这些物质来源于涉及碳酸钙的沉积过程，碳酸钙主要储存在海洋生物的贝壳中。岩石圈中另外20%的碳以干酪根的形式储存。
   当碳酸盐岩石经历变质作用时，这一过程通常发生在这些岩石通过俯冲被推入地幔深处时，二氧化碳会被释放。这些二氧化碳最终可以通过火山活动和地热热点返回地表，排放到大气和海洋中。