Warum hat die Erde eine Atmosphäre? Wie ist die Erdatmosphäre entstanden?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Über die Welt sprechen

Hersteller: China Science Expo

Die Atmosphäre, von der das Überleben der Menschen abhängt, ist eine riesige Gasschicht, die die gesamte Erde umgibt und als Atmosphäre bezeichnet wird. Wenn keine Verschmutzung vorliegt, ist die Atmosphäre durchsichtig, farblos, geschmacks- und geruchslos. Diese Atmosphäre besteht aus vielen Arten von Gasen, von denen der darin enthaltene Sauerstoff für das Überleben der Menschheit am wichtigsten ist.

Diese Schicht der Atmosphäre ist in ständiger Bewegung und der Wind, den wir spüren, ist ein Spiegelbild der Luftbewegung. Diese Luftschicht kann Schallwellen übertragen und so Menschen bei der Kommunikation durch Sprache helfen. Die Existenz dieser Atmosphärenschicht kann außerdem verhindern, dass gesundheitsschädliche Strahlung in die menschliche Lebensumgebung eindringt, und so das normale Leben und die Fortpflanzung des Menschen schützen. Kurz gesagt: Diese Atmosphäre ist für den Fortschritt der Menschheit und der Gesellschaft äußerst wichtig.

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Auch die Atmosphäre zieht mit ihrem unberechenbaren Charme die Menschen in ihren Bann. Die Menschen interessieren sich schon seit langem für diese geheimnisvolle Welt der Atmosphäre. Besonders die „Hintergründe“ bereiten den Menschen Sorge. Wie wurde die Atmosphäre geschaffen? Wie sah die ursprüngliche Atmosphäre aus? Ist die Atmosphäre noch dieselbe wie heute? Über diese Fragen wird bis heute diskutiert.

Es ist allgemein anerkannt, dass sich die Erdatmosphäre im Zuge der Entstehung der Erde über Milliarden von Jahren kontinuierlicher „Erneuerung“ zu dem entwickelt hat, was sie heute ist. Aber wie hat es sich entwickelt?

Es wird allgemein angenommen, dass die Entwicklung der Erdatmosphäre in drei Phasen unterteilt werden kann.

Bühne mit primitiver Atmosphäre

Vor etwa 5 Milliarden Jahren entstand gleichzeitig mit der Geburt der Erde auf mysteriöse Weise auch die Atmosphäre. Das heißt, als der Nebel, von dem Laplace sprach, zu kondensieren begann, umgab die Erde bereits eine große Menge Gas. Die Hauptbestandteile der Uratmosphäre waren Wasserstoff und Helium. Nach der Entstehung der Erde kam es durch den Zerfall radioaktiver Stoffe im Erdinneren zu einer Energieumwandlung. Diese Umwandlung spielt eine Rolle bei der Erhaltung und dem Verschwinden der Erdatmosphäre. In Verbindung mit der starken Wirkung des Sonnenwinds und der geringeren Schwerkraft bei der Entstehung der Erde verschwand die ursprüngliche Atmosphäre schnell.

Sekundäratmosphärenstufe

Nach der Entstehung der Erde kam es aufgrund des Temperaturabfalls zu Kondensation an der Erdoberfläche und die hohe Temperatur im Erdinneren führte zu häufiger vulkanischer Aktivität. Die bei Vulkanausbrüchen entstehenden flüchtigen Gase ersetzten nach und nach die ursprüngliche Atmosphäre und wurden zur Sekundäratmosphäre. Die Hauptbestandteile der Sekundäratmosphäre sind einige Gase mit höherem Molekulargewicht, wie etwa Kohlendioxid, Methan, Stickstoff, Schwefelwasserstoff und Ammoniak. Diese Gase und die festen Stoffe der Erde ziehen sich gegenseitig an und sind voneinander abhängig.

Heutige atmosphärische Phase

Da die Sonneneinstrahlung immer tiefer in die Erdoberfläche eindringt, entsteht durch die intensive Photosynthese der relativ kurzwelligen Ultraviolettstrahlen Sauerstoff in der Sekundäratmosphäre der Erde, und die Sauerstoffmenge nimmt weiter zu. Das Vorhandensein von Sauerstoff bietet einen äußerst günstigen „Nährboden“ für die Entstehung von Leben auf der Erde. Nach Milliarden von Jahren der Zersetzung, Assimilation und Evolution wurde in der Wiege der Erde endlich Leben geboren. Das primitive einzellige Leben entwickelte sich in der von der Atmosphäre gewobenen „Wiege“ weiter und entwickelte sich schließlich zu den fortgeschrittenen Menschen, die heute die Weltzivilisation beherrschen. Auch die heutige Atmosphäre hat dabei zu einer „glücklichen Familie“ beigetragen.

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Obwohl die heutige Atmosphäre ein Gemisch verschiedener Gase ist, ist der Hauptbestandteil Stickstoff, gefolgt von Sauerstoff. Es gibt auch einige andere Gase, aber die Menge ist äußerst gering. Die Atmosphäre ist das, was sie heute ist, das Ergebnis der langfristigen Entwicklung der Erde.

Wie kam es zur heutigen atmosphärischen Zusammensetzung?

Warum ist die Zusammensetzung der heutigen Atmosphäre so? Derzeit gibt es zwei Hauptansichten darüber, wie sie sich über einen langen Zeitraum entwickelt haben.

Eine Ansicht besagt, dass sich die heutige Atmosphäre aus der ursprünglichen Atmosphäre der Erde entwickelt hat. Eine andere Ansicht ist, dass die ursprüngliche Atmosphäre nicht mehr existiert und die heutige Atmosphäre aus Materialien entstanden ist, die durch vulkanische Aktivitäten im Erdinneren ausgestoßen wurden. Um dieses Problem zu analysieren und zu veranschaulichen, können wir es mit den Nachbarn der Erde (Venus und Mars) vergleichen. Den Messdaten zufolge besteht die Venusatmosphäre hauptsächlich aus Kohlendioxid. Der untere Teil besteht hauptsächlich aus Kohlendioxid, mit geringen Mengen an Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Neon, Helium und Wasserdampf sowie atomarem Sauerstoff im oberen Teil. Die Atmosphäre des Mars besteht hauptsächlich aus Kohlendioxid sowie etwas Ammoniak, Wasserstoff, Sauerstoff, Wasserdampf und anderen Substanzen. War die Atmosphäre also vorher schon einmal so? Betrachten Sie es als Frage folgendermaßen.

Wenn die ursprüngliche Atmosphäre der Erde ebenfalls hauptsächlich aus Kohlendioxid bestand, warum unterscheidet sie sich dann von der heutigen Zusammensetzung, die hauptsächlich aus Stickstoff und Sauerstoff besteht? Wenn die Erdatmosphäre hauptsächlich durch Vulkanausbrüche entsteht, sind die Hauptbestandteile der Vulkanausbruchsmaterialien gemäß aktuellen Daten zu Vulkanausbrüchen Wasserdampf (81 %), Kohlendioxid (10 %) sowie Stickstoff, Schwefel usw., aber es gibt keinen freien Sauerstoff. Daraus können wir ersehen, dass diese Komponenten sowohl in der ursprünglichen Atmosphäre als auch in den Gasen vulkanischer Eruptionen sehr selten sind. Darüber hinaus ist die Bildung von Ozon nur bei Vorhandensein von freiem Sauerstoff in der Atmosphäre möglich. Durch die Anwesenheit von Sauerstoff wird das Kohlenmonoxid in der ursprünglichen Atmosphäre zu Kohlendioxid oxidiert, Methan wird zu Wasserdampf und Kohlendioxid oxidiert und Ammoniak wird zu Wasserdampf und Stickstoff oxidiert, sodass Kohlendioxid dominiert.

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Kohlendioxid machte einen großen Teil der ursprünglichen Atmosphäre aus, doch durch die Entwicklung der Photosynthese wurde ein großer Teil des Kohlenstoffs zur Bildung von Organismen verwendet, und ein anderer Teil des Kohlenstoffs löste sich im Ozean auf und wurde zu einer Substanz für die Entwicklung des Meereslebens. Wenn mehr Kohlendioxid in der Atmosphäre vorhanden ist, steigt die Menge des im Meerwasser gelösten Kohlendioxids entsprechend an. Mittlerweile geht man davon aus, dass die Kohlendioxidkonzentrationen durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe steigen. Bei steigender Kohlendioxidkonzentration kann das ökologische Gleichgewicht in der Natur jedoch keinen übermäßigen Anstieg der Kohlendioxidkonzentration zulassen und ein Teil davon muss sich im Wasser lösen.

Ein weiterer Bestandteil ist Stickstoff. Der Hauptbestandteil der Atmosphäre ist heute Stickstoff, doch wenn man die Atmosphäre der Urzeit oder die Gase aus Vulkanausbrüchen betrachtet, ist der Stickstoffanteil sehr gering, er beträgt nur wenige Prozent. Für den heutigen Anstieg des Stickstoffgehalts gibt es zwei Hauptgründe. Erstens sind die chemischen Eigenschaften von Stickstoff sehr inaktiv und er lässt sich nicht leicht mit anderen Substanzen verbinden, sodass er meist in freiem Zustand vorliegt. Andererseits ist die Löslichkeit von Stickstoff in Wasser sehr gering, nämlich nur ein Siebtel der Löslichkeit von Kohlendioxid, so dass er in der Atmosphäre größtenteils in freiem Zustand vorkommt. Durch die Reduzierung des Kohlendioxids hat sich der größte Teil des ursprünglichen Wasserdampfs in flüssiges Wasser verwandelt und so die heutige Hydrosphäre gebildet. Relativ gesehen hat sich das Verhältnis von Stickstoff zu Sauerstoff erhöht. Der Grund, warum es heute so viel Stickstoff gibt, hängt also mit den Eigenschaften des Stickstoffs selbst zusammen.

Natürlich zirkuliert auch Stickstoff. Einige Rhizobien können Stickstoff aufnehmen, wodurch ein Teil des Stickstoffs in den biologischen Kreislauf gelangt. Nach dem Verrotten und Zersetzen setzen diese Substanzen freien Stickstoff frei. Ein kleiner Teil des Stickstoffs gelangt auch in das Nitrat der Erdkruste. Obwohl Stickstoff am Kreislauf teilnimmt, liegt er größtenteils in freiem Zustand vor. Relativ gesehen nimmt seine Menge zu, sodass es zum Hauptbestandteil der Atmosphäre wird.

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Daraus lassen sich zwei Schlussfolgerungen ziehen: Erstens ist die heutige Zusammensetzung der Atmosphäre das Ergebnis der langfristigen Entwicklung der Erde und das Ergebnis ausreichender Stoffkreisläufe mit der Hydrosphäre, Biosphäre und Lithosphäre. Man kann sagen, dass diese Kreise ein miteinander verbundenes und sich gegenseitig durchdringendes Ganzes bilden. Zweitens befindet sich die derzeitige Zusammensetzung der Atmosphäre noch immer in einem kontinuierlichen Zyklus. Dieser Prozess ist grundsätzlich ausgeglichen und stabil, sodass es kurzfristig zu keinen offensichtlichen Änderungen kommen wird.