由于自身引力的存在，對于大部分行星和衛星而言，它們都會有一個大氣層，但在太陽系内，我們找不到一顆可以讓我們自由呼吸的星球。
這些行星或者衛星的大氣層要麼十分稠密，要麼十分稀薄，而且它們幾乎都沒有氣态氧氣的存在。
現在的地球大氣層擁有21%的氧氣和78%的氮氣，而且不是特别稠密，無論是動物，還是植物都比較适合這樣的大氣成分和大氣壓。
那麼為什麼隻有地球大氣層擁有這樣海量的氧氣呢？或者說地球的大氣層是如何演變的，它為什麼和其它星球會如此不同呢？
地球上曾經的大氣不像岩石那樣容易留下證據，要重塑地球大氣層的曆史會更加的困難，不過一些證據可能提供參考，包括氣體和地球岩石的互相作用，以及其它行星現有的氣體情況。
捕獲氣體時期
現在科學界普遍認為，太陽系起源于太陽星雲，它是由氣體和塵埃組成的“散裝材料”，其中最豐富的兩種物質是氫和氦。
關于太陽星雲最終變成太陽系的假設，現在已經有許多證據，其中包括獵戶座星雲 (M42)中心2.5光年區域内被觀察到的700多顆年輕恒星，以及150 多個原行星盤——這些原行星盤很可能會誕生新的行星系統。
M42中的原行星盤，圖源：ESA/Hubble
當地球從原行星盤中誕生并且變得足夠大之後，它的引力可以吸引周圍的物質，許多氫和氦會被收入囊中。
但即便如此，最原始地球的大氣層并不是這兩種氣體組成的。
這是因為氣體分子的運動速度與它的品質和溫度有關系，而當時的太陽和地球都很熱，是以這些氣體分子很容易達到逃逸速度。
現在地球高層大氣的溫度在1000-2000攝氏度之間，考慮到在2000 K（大約1727℃）的溫度下，分子量大于10的化合物分子的平均速度才小于11.2km / s（地球的逃逸速度），氫氣和氦氣的分子量分别是2和4，是以它們基本很難被留住。
現在主流的觀點認為，最原始地球的揮發性物質主要是含氫化合物（氦是惰性氣體不容易以化合物形式保留），比如甲烷、氨、水等，這些氣體都在氣态巨行星上大量存在的；另外包括一些分子量大于10惰性氣體，比如氖等，這些地球現在依然存在的稀有氣體。
早期太陽系，圖源：NASA/JPL-Caltech
地球自己的排氣
按照“原行星盤”的形成理論，太陽系早期擁有許多的“行星胚胎”，最原始地球隻是其中之一，它繼續在“吸積”和碰撞中不斷成長變大。
一些科學家認為，現在的火星是唯一幸存下來的“行星胚胎”，因為相對于它的軌道，火星太小了。
月球的撞擊假說，圖源：NASA/JPL-Calte
“吸積”和碰撞會釋放出巨大的能量，這讓早期的地球變成了一個“岩漿海洋”，在被一顆被稱為忒伊亞的原始行星撞擊後，甚至整個星球進入熔融狀态。
而太陽星雲最初的揮發性物質的分子不僅以大氣形式被捕獲和流失，有一些還會覆寫在岩石材料的固體顆粒表面。
當這些固體在碰撞後熔融時，吸附在上面的氣體就會揮發成為最初的大氣層，地球形成後或者說太陽系趨于穩定後，地球的第一個大氣層就是這些揮發性物質制造的。
早期地球，圖源：SwRI/Simone Marchi
那麼這會是一個什麼樣的大氣層呢？
首先，“岩漿海洋”所釋放的氣體和現在火山噴發出來的氣體是不一樣的。
我們現在的火山噴發會噴發出二氧化碳和二氧化硫等氣體，這其實是因為吸附在岩石上的這些氣體在地球内部高溫下被重新釋放了出來，并随着火山噴發進入大氣層。
但是早期的地球材料吸附的揮發性物質并不是這些，而是從太陽星雲那裡吸附過來的氣體，是以那時候排的氣體主要還是氫，氦、甲烷和氨等。
圖注：氧化鐵樣品
由于氦氣是惰性氣體且很容易逃逸，是以基本不需要考慮它，當我們考慮剩下的這些氣體時，就必須确定地球的含氧情況，因為這些物質都會和氧反應。
這一點，科學家是通過現在地幔樣本來确定的，其中的關鍵便是看有多少氧與鐵元素化學鍵合。
通過現有的樣本，2020年的時候，科學家模拟了早期地球的大氣層[1]，它很可能是一個含有97%二氧化碳和3%氮氣的大氣層，這可能就是地球冷卻後第一個相對穩定的大氣層了。
但是讓人意外的是，第一個大氣層的大氣壓大約是今天的 70 倍。
圖注：地球和金星
說到這裡不知道你想到了什麼？
其實， CO2 與 N2 的這個比例與現在金星上的大氣層是非常相似的，加上這樣超高的大氣壓，早期的地球很可能和現在的金星很像。
如果你要繼續問為什麼地球變成現在這樣，而金星保留了最初的模樣，那麼唯一能找到的答案就是金星離太陽太近了，而地球遠了一點，是以它在之後的日子裡發生了改變。
生物的出現和改造大氣層
我們前面提到的第一個大氣層，兩個主要物質是CO2 與 N2，其實在地球冷卻之前水蒸氣的比重會很大，甚至可能比CO2 與 N2還高。
但是，由于地球距離太陽足夠遠，當它冷卻下來後，水蒸氣開始可以在地球上以水的形式存在，并形成了早期的海洋，這點就是關鍵所在。
因為海洋會吸收二氧化碳，地球的生命可能就是在這個過程中誕生的。
圖注：地球生命誕生示意圖
而金星由于距離太陽太近了，加上二氧化碳創造的溫室效應，金星的每一個角落，無論白天黑夜都在400攝氏度以上，水永遠隻能以蒸汽的形式存在。
我們前面所說的地球失去和收集大氣的時候，其實很多方面都沒有考慮，比如太陽風和光化學反應等過程。
我們知道，如果沒有磁場的存在，太陽風會毫不留情地剝離行星的大氣層，在行星品質相同的情況下，分子量越大則越不容易被剝離，而水（H2O）是分子量最小氧化物，而且金星還幾乎沒有磁場，是以現在它上面的水分子已經所剩無幾。
而地球冷卻後，較重的元素——熔融的鎳、鐵進入了核心，在自轉下産生了磁場，牢牢鎖住了大氣層和水蒸氣。
當生命開始在海洋中形成的時候，地球的大氣層進入了生命改造時代。
生命改造地球大氣層主要包括兩個方面，一個是主流的碳循環，一個是可能發生過的氮循環。
2016年的時候，科學家在澳洲27億年前的熔岩中發現了一些包含過去大氣成分的氣泡，如果這些氣泡代表過去的大氣成分的話，那麼可以判定當時的大氣層濃密程度隻有現在的一半，其中主要減少的就是氮。
當時科學家給出的解釋是一些細菌可以“固氮”，就像現在的植物把二氧化碳變成不揮發的糖一樣。
不過，這項研究或者發現并沒有得到主流科學的認可，畢竟唯一的證據隻是27億年前的氣泡而已，而更多的證據是指向早期地球的大氣層比現在更濃密。
圖注：現在的藍藻依然無處不在
關于碳循環最重要的就是光合作用，以及地球本身的活動（如火山噴發），而至關重要的一次“改革”就是大氧化事件。
大約在25億年前，藍藻進化出光合作用，它們吸收二氧化碳，并把氧氣以廢氣的形式排出。
地球大氣中本來最多的二氧化碳，在海洋吸完，植物吸，一來二去反而被消耗殆盡，而地球的大氣層也變成現在這種以本來隻占3%的氮氣為主，以及氧氣為輔的成分。
地球大氣層成分的變化其實還挺有趣的，我們現在大氣這麼适合生命生存，但其實它是生命自己創造的。
或許用微生物去改變别的星球環境确實有可能，就是不知道這個周期會怎麼樣？
參考資料：
[1]https://theconversation.com/ancient-earth-had-a-thick-toxic-atmosphere-like-venus-until-it-cooled-off-and-became-liveable-150934