在探索地球和生命起源时，地球早期的大气层是最令人着迷和最复杂的话题之一。 了解它的起源、最初的组成部分以及随着时间的推移它如何变化，不仅有助于我们了解我们的过去，而且还为我们提供有关其他可居住星球的线索。
早在我们今天所知道的空气由氧气和氮气组成并被一层保护层包裹着抵御太阳辐射之前，大气层就是一种恶劣的环境，充满有毒气体，没有我们所知道的生命痕迹。通过极其复杂的地质、化学和生物过程，原始版本让位于使生物体进化成为可能的环境。
气氛是什么？为什么它对生活如此重要？
大气层是包围天体的气体层，在这里指的是地球。它不仅仅是一种简单的气体混合物：它还起到保护盾和温度调节器的作用。，对于生命的发展和维持至关重要。
目前，地球大气主要由氮气（78%）、氧气（21%）以及二氧化碳、氩气、水蒸气和臭氧等残余气体混合物组成。。但这种组成成分并非一直如此，数十亿年来，它的演变一直伴随着剧烈的变化。
第一个百万年：冥古代的混乱
大约 4.500 亿年前，地球由一团宇宙尘埃和气体形成，并形成了太阳系。。在最初的几百万年里，即所谓的冥古代，该行星的表面是一片熔融的岩浆海洋，当时的大气层极不稳定且短暂。
在此早期时期，该行星遭到陨石的猛烈轰击，这一事件被称为后期重轰炸期。，距今 4.100 亿至 3.800 亿年前。这些撞击带来了水、氨和甲烷等挥发性化合物，促进了早期大气和海洋的形成。
伴随这一初始混乱的一个重要因素是月球的形成。人们认为，一颗名为忒伊亚（Theia）的行星大小的物体与地球相撞，释放出的碎片形成了我们的卫星。这次事件还因释放的能量而显著影响了大气的早期结构。
第一个地球大气层：成分和特征
在经历了冥古代最剧烈的事件之后，地球开始慢慢冷却，形成了坚固的地壳。。在这样的背景下，我们所知的第一层稳定大气或者说原始大气出现了。
它不含自由氧，但主要由火山气体组成：二氧化碳（CO2)、水蒸气（H2O）、甲烷（CH4)、氨 (NH3)、硫（SO2)和氮(N2)。这种气体混合物创造了一种还原性气氛，这意味着它有利于获得电子的化学反应，与在氧气存在下发生的化学反应相反。
高浓度的甲烷和二氧化碳是强效的温室气体。这使得该行星能够保留足够的热量来维持液态水，尽管年轻的太阳仅散发出目前辐射热量的 70%。
微弱太阳悖论：地球如何保持温暖？
关于地球早期演化的一个最有趣的问题是，如果太阳亮度较低的话，液态水如何能存在于地球表面。。这种现象被称为“暗淡年轻太阳佯谬”。
对于这一谜团最容易被接受的解释在于原始大气的成分本身。。除二氧化碳外，温室气体效力比二氧化碳高出20至25倍的甲烷在维持全球高温方面发挥了至关重要的作用。
此外，由于月球接近而产生的潮汐加热或行星内部放射性元素含量较多等其他因素也产生了热量。。所有这些元素的结合使得海洋保持液态，这是生命出现的关键条件。
早期地质证据：我们如何知道当时的大气是什么样的？
我们对早期大气的大部分了解都来自于对非常古老的岩石的分析。。这些包括沉积构造、流体包裹体、叠层石和同位素分析。
一个明显的例子是 BIF 或带状铁建造，显示出氧化铁和二氧化硅交替的层。这些是在亚铁（Fe2+海洋中的磷灰石与早期光合生命产生的氧气发生反应，开始氧化沉淀。
另一方面，黄铁矿（FeS2) 存在于古代沉积岩中，表明当时的环境是缺氧的，因为这种矿物在有自由氧的情况下无法形成。
在古老的晶体中也发现了捕获气体的包裹体。，这使得我们能够以相当高的精度重建某些时期的大气成分。结合所有这些线索，我们有可能追踪大气从无氧到富含氧气的逐渐演变过程。2.
生物革命：蓝藻和大氧化事件
蓝藻的出现标志着大气历史上最重要的时刻之一。。这些光合细菌至今仍然存在，它们开始利用阳光和二氧化碳产生能量，并产生氧气作为副产品。
数亿年来，产生的氧气被海洋和岩石吸收。具体来说，它与溶解的铁发生反应，导致氧化铁沉淀和前面提到的BIF的形成。只有当这些系统达到饱和状态时，氧气才开始在大气中积聚。
这一事件被称为大氧化，发生于大约 2.400 亿年前，带来了毁灭性和革命性的后果。。许多厌氧生物无法在新的氧化环境中生存，而其他厌氧生物则发展出了利用氧气的机制，例如有氧细胞呼吸。
气候变化和第一次冰川期
大氧化事件的一个副作用是大气中甲烷的减少，与氧气反应生成二氧化碳和水。由于甲烷是一种更强的温室气体，它的减少导致全球气温急剧下降。
这导致了地球上第一次大冰川期：休伦冰川期。。一些科学家认为，这次事件可能非常极端，以至于地球变成了一个完全冻结的“雪球”，这种现象仍有争议，但很有可能。
在元古代，至少发生了另外三次重大冰川期，其持续时间和范围仍在研究中。地球在温暖期和寒冷期之间振荡，通常是由于温室气体、火山活动、板块构造和行星轨道的轻微不平衡造成的。
大气与复杂生物的出现
随着氧气含量的提高，向真核生物的进化成为可能。。它们具有明确的细胞核和细胞器，例如线粒体和叶绿体，它们利用氧气比厌氧发酵更有效地产生能量。
这些细胞的进步很快导致了多细胞生物的出现，这些多细胞生物又进化为更复杂的动物和植物生命形式。。臭氧层（O）也形成了3二氧化碳是一种化学物质，可以保护地球表面免受紫外线的辐射，从而促进人类对陆地环境的殖民化。
原始气息与现代气息对比
| 煤气 | 原始氛围 | 当前气氛 |
|---|---|---|
| 氮气（N2) | 比例较小 | 〜78％ |
| 氧气（O2) | 稀缺或不存在 | 〜21％ |
| 二氧化二碳 (CO2) | 非常丰富 | 〜0.04％ |
| 甲烷（CH4) | 大量存在 | 痕迹 |
| 水蒸气（H2O) | 高度可变，但丰富 | 根据气候而变化 |
大气层作为研究其他行星的试验
有关地球大气演变的知识也用于分析其他天体的大气。，例如火星、金星或系外行星。研究它们的特性有助于确定它们是否能够维持生命或者是否曾经维持生命。
同样，了解气体的微小变化如何引发气候和生物圈的巨大变化是理解当前平衡的脆弱性的关键。。这对于分析地球当前的气候变化有直接的应用。
从冥古代的硅酸盐蒸气到现代平流层的臭氧，地球大气层是一个相互作用的动态过程的产物。。地质学、生物学和天文学相互交织，构建了这一叙事，赋予了我们的起源和未来意义。