Không khí bao quanh Trái Đất được hình thành như thế nào?

Hằng ngày chúng ta sống trong bầu không khí và hít thở không khí, vậy rốt cuộc không khí được hình thành như thế nào? Cho đến nay, vấn đề này vẫn chưa có câu trả lời hoàn toàn đầy đủ; con người vẫn đang tiếp tục tìm hiểu và khám phá thêm.

Người ta cho rằng thuở ban đầu, khi Trái Đất ngưng kết từ tinh vân Mặt Trời thành một khối cầu lỏng lẻo, không khí không chỉ bao phủ bề mặt Trái Đất mà còn hòa trộn bên trong. Khi ấy, thành phần nhiều nhất trong không khí là hyđro, chiếm khoảng 90%. Ngoài ra còn có nhiều hơi nước, khí mêtan, amoniac, hêli và một số khí trơ khác, nhưng gần như chưa có nitơ, oxi và khí cacbonic.

Về sau, dưới tác dụng của lực hút từ tâm Trái Đất, khối cầu lỏng lẻo ấy co lại. Trong quá trình co, không khí bị nén ép, khiến nhiệt độ trong lòng đất tăng mạnh, còn không khí từ bên trong khuếch tán ra ngoài không trung. Khi Trái Đất co nhỏ đến một mức nhất định, tốc độ thu nhỏ chậm lại, nhiệt độ do hiện tượng co gây ra cũng giảm dần, Trái Đất nguội đi và vỏ bắt đầu đông kết. Phần không khí bị giữ trong vỏ Trái Đất bị ép ra ngoài, đồng thời bị lực hút của Trái Đất giữ lại, bao bọc bên ngoài hành tinh và hình thành tầng khí quyển. Lúc này, hơi nước ngưng kết thành nước, khiến trên vỏ Trái Đất bắt đầu xuất hiện nước. Tầng khí quyển thời kỳ đầu vẫn rất mỏng, thành phần khác xa khí quyển ngày nay, chủ yếu gồm hơi nước, hyđro, hêli, amoniac và một số khí trơ khác.

Sau khi vỏ Trái Đất rắn lại, dưới tác dụng kéo dài hàng tỉ năm của các chất phóng xạ, nhiệt độ trong lòng Trái Đất không ngừng tăng. Sự điều chỉnh lớn giữa các địa tầng làm một số vùng vỏ Trái Đất phát sinh đứt gãy và dịch chuyển. Nhiều nham thạch và nước trong vỏ Trái Đất, dưới điều kiện nhiệt độ cao, tiếp tục giải phóng ra ngoài, làm tăng lượng nước trong sông biển. Một số chất khí bị giữ trong đất đá hoặc địa tầng, trong đó có khí cacbonic, cũng thoát ra với số lượng lớn và bổ sung vào khí quyển.

Đến giai đoạn này, trong khí quyển đã có nhiều hơi nước. Dưới tác dụng chiếu xạ của ánh nắng Mặt Trời, một phần hơi nước phân giải thành hyđro và oxi. Một phần oxi kết hợp với hyđro trong amoniac, giải phóng nitơ; phần khác kết hợp với hyđro trong khí mêtan, làm cacbon trong mêtan tách ra. Cacbon này lại kết hợp với oxi để hình thành khí cacbonic.

Như vậy, thành phần chủ yếu của không khí dần biến thành oxi, hơi nước, nitơ và cacbonic. Tuy nhiên, vào thời ấy lượng khí cacbonic nhiều hơn hiện nay rất nhiều, còn oxi thì ít hơn.

Theo kết quả đo các nguyên tố đồng vị gần đây, từ khi hình thành đến nay, Trái Đất đã hơn năm tỉ năm tuổi. Khoảng 1,8 đến 1,9 tỉ năm trước, sinh vật thủy sinh dần xuất hiện. Khoảng 700 đến 800 triệu năm trước, thực vật bắt đầu có mặt trên lục địa. Khi đó, hàm lượng khí cacbonic trong không khí rất cao, rất có lợi cho quá trình quang hợp của thực vật, khiến thực vật sinh sôi mạnh mẽ. Khi một lượng lớn thực vật quang hợp, chúng hấp thụ khí cacbonic và thải ra oxi, làm hàm lượng oxi trong không khí tăng nhanh. Vì thế, khoảng 500 triệu năm trước, các loài động vật trên Trái Đất cũng phát triển nhanh chóng. Sự hô hấp của động vật lại khiến oxi trong không khí chuyển thành khí cacbonic.

Sau khi động vật và thực vật trên Trái Đất tăng lên, chất bài tiết của động vật và thi thể sau khi chết bị phân hủy. Một phần anbumin biến thành amoniac và muối amoni, phần khác trực tiếp phân giải thành nitơ. Phần biến thành amoniac và muối amoni, thông qua tác dụng oxi hóa và khử oxi của vi khuẩn, có một phần chuyển thành khí nitơ đi vào không khí. Trong điều kiện nhiệt độ bình thường, nitơ khá trơ, khó kết hợp với các nguyên tố khác, vì vậy lượng nitơ trong không khí ngày càng tích lũy và cuối cùng đạt tới hàm lượng như ngày nay.

Khi ấy, lớp không khí gần mặt đất đã có thành phần gần giống hiện nay: nitơ chiếm khoảng 78%, oxi khoảng 21%, agon gần 1%, còn tổng lượng các khí vi lượng khác chưa đến 1%.

Từ đó có thể thấy, sự hình thành khí quyển một mặt liên quan đến quá trình hình thành Trái Đất và vỏ Trái Đất, mặt khác liên quan đến sự xuất hiện của động vật và thực vật. Nó không phải là một quá trình diễn ra cô lập.

Đó là cách giải thích tương đối phổ biến trong giới khoa học. Ngày nay, con người đã có kỹ thuật tiên tiến để tìm hiểu tình trạng khí quyển của các ngôi sao và hành tinh trong Vũ Trụ. Qua việc so sánh dữ liệu khí quyển của một số hành tinh, ta có thể thấy bầu khí quyển của các hành tinh đang ở những giai đoạn phát triển khác nhau. Điều này giúp chúng ta hiểu thêm về quá trình hình thành khí quyển Trái Đất. Tuy nhiên, lý luận phù hợp nhất với thực tế về sự hình thành khí quyển vẫn còn cần chờ những khám phá sâu hơn.