太陽系八大行星中,為什麼只有地球大氣層中的含氧量較高?

2020-12-06 科學探索菌

●為了回答這個問題,先讓我們看一下氧元素在宇宙中的豐度

18世紀俄國科學家門捷列夫發現了元素周期律,並製成了元素周期表。元素周期表中一共有118種元素,2007年人類發現了元素周期表中最後一種元素。在地球上自然存在的元素,總共有94種。

化學元素周期表

說到氧元素的分布,先講一下元素是如何產生的?

宇宙誕生於一場大爆炸,從原始火球膨脹到如今的宇宙,元素也就是在這個過程中誕生的。原子是由質子、中子組成的原子核以及核外電子構成的。我們依據原子核中質子的數量,對原子進行分類,具有相同核內質子數的一類原子我們稱之為元素。

一般而言,事物總是從簡單向複雜變化,元素的形成也是先從質子數最少的元素開始形成。這就跟搭積木一樣,要一步一步的來。因此宇宙中最先誕生的是氫元素,氫原子由一個質子和一個電子構成,非常簡單,因此在宇宙中廣泛分布。

在宇宙中,氫元素的豐度最高,其次是氦。氫和氦約佔宇宙間原子總數的99%,其中氫元素佔90% 、氦元素佔9% 。氧元素的豐度在宇宙中排第三,約佔0.09%。氫是形成其它元素的初始材料,恆星則是元素合成的主要工作場所。比如我們的太陽,現階段就處於氫聚變為氦這個過程。

(宇宙中元素的相對豐度)

從上圖可以看出,隨著原子序數(質子數)的增大,元素的相對豐度的整體趨勢也在逐漸降低。氧元素的豐度比碳元素多一些,矽和鐵的元素豐度差不多。像金和銀等重金屬元素在宇宙中的豐度就比較少了,物以稀為貴,價格昂貴也是理所當然的。在恆星核心處發生的核聚變反應,對元素的豐度有較大影響。比如鐵元素豐度的反常增長,就與此有關。

(不同元素在晚期恆星內部的分布,鐵元素是恆星內部核聚變反應的終點)

●地球上豐富的氧氣與生命活動有關

(元素豐度圖,左為地球範圍內的豐度分布,右為人體範圍內的豐度分布。)

由上圖可知,在地球上氧元素的豐度最高,大約佔46%,其次是28%的矽,鐵元素僅佔6%。

氧元素雖然在地球上的豐度最高,但自然界中的氧氣含量卻不是最高的,在地球大氣中僅佔21%。氧比較活潑,易與其元素發生反應,主要以化合物形式存在,自然界中處於游離態的氧比較少。比如廣泛分布在地球上的沙子,主要就是由二氧化矽構成的。此外水也是由氫和氧構成。

高純度二氧化矽晶體

地球的年齡有45億年,地球上最早的生命大約出現在35億年前,在生命出現之前,地球大氣層中的的氧氣含量是極少的,主要是氮氣和二氧化碳。生命的出現對地球大氣環境的影響很大。

大約在20~25億年前,海洋中的藻類植物進化出了原始的光合作用。尤其是藍藻,它對原始大氣中氧氣含量的提高,起了至關重要的作用。地球大氣層氧氣濃度的提高,也為臭氧層的形成提供了可能,臭氧層阻礙了紫外線,生命開始從海洋向陸地進發。起初,高濃度氧氣的出現對生命是有害的,還因此造成了海洋生物大滅絕。

●總結

在太陽系內,就只有地球大氣層中的含氧量最高,這主要源於生命活動的影響。比如火星,火星上的氧元素含量也很高,火星大氣中二氧化碳的含量就高達95%,但火星大氣中的含氧量僅為0.15%。如果我們在火星上種植綠色植物,通過光合作用吸收二氧化碳,就可以讓火星上的含氧量增加。

由此可見,植物的光合作用對地球上的含氧量影響很大。如果沒有植物,地球大層中的二氧化碳含量會持續升高,含氧量會持續下降。別的星球因為沒有植物,故氧氣含量非常少。

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