当地核吞下了大气层

在岩质行星中，地球的大气层很奇特。金星和火星尽管气压相差悬殊，但空气都由约95%的二氧化碳和百分之几的氮组成。地球的大气则二氧化碳贫乏、氧气丰富。这种差异部分来自数十亿年的地质作用和生命活动。但这些行星最初拥有的、构成大气和生命的元素——氢、碳和氮——的供应量也可能就不一样。

哥本哈根大学的Vera Sparrman和哥本哈根大学兼瑞典隆德大学的Anders Johansen回到了最初的时刻：地球还在年轻太阳周围的气体尘埃盘中生长的时候。

一场穿过岩浆海的铁雨

在那个阶段，落入物质释放的热量使行星的地幔保持熔融状态。成长中的地球被一片全球性的岩浆海包裹。每一块新来的物质都带来岩石和铁镍金属：岩石融入岩浆，金属则以液滴形式穿过岩浆下沉——下落速度约为每秒一米——构筑地核。大气中的气体溶解进岩浆，其中一部分又溶解进下落的金属中。这样，铁雨就能把它们一路带到深处。

作者逐层模拟了大气、岩浆海和地核之间的这种交换，从一个只有地球质量2%的种子，一直到64%——大致相当于形成月球的大撞击之前的原始地球。氢、碳和氮的总量被设定为与当今地球的估计值相符，包括那些被认为藏在地核中的部分。

构建行星的两种方式

他们比较了两种生长方式：

• 卵石吸积：地球吸积毫米到厘米大小的卵石。随着行星周围环境升温，这些小颗粒在到达之前就失去了挥发性成分。氢几乎立刻停止到达；碳和氮大约在火星质量时停止。挥发物很早就到了。
• 星子吸积：地球由直径数百米或更大的天体构成，这些天体把挥发物保护在内部。交付是持续的。

早到者，深埋

结果表明，时机非常重要。如果交付得早，此后落下的每一点金属都会不断“洗刷”岩浆。在卵石情景中，约70%的氢和69%的碳最终进入地核。在持续交付的情况下，地核至多吸收约一半，地幔和大气保留的量大约是前者的两倍。这些比例来自作者当作参考的那一组实验室测量数据；正如我们将看到的，另一组数据给出的数字非常不同。

一个由卵石构建的原始地球从0.02倍地球质量生长到0.64倍地球质量时，氢、碳和氮的最终去向：地核（深红色）、岩浆海（橙色）、大气（蓝色）。——图4（上排），Sparrman和Johansen（2026），arXiv:2610.27788。

溶解度——在给定压力下岩浆能溶解多少气体——决定了谁能逃脱：只有溶解在岩浆里的那部分，才可能被穿过岩浆下落的金属液滴带走。水很容易溶解，因此氢暴露在铁雨之下，被高效地带入深处。一氧化碳的溶解度差得多，所以在任何时刻，大部分碳都留在上面的空气里；但此后到来的全部金属会不断抽空已溶解的那一份，而大气又立刻把它补上，结果到最后仍有69%的碳沉了下去。氮是反例：它对金属的亲和力比氢还强，但只有**4%到达地核——它太难溶解，几乎从不出现在铁雨经过的地方——而93%**留在大气中。不溶解反而是一种保护。

一片沉重的一氧化碳天空

卵石情景结束时，剩下的是一层约760巴的浓厚原始大气——我们呼吸的空气在海平面上重1巴，金星的空气重92巴。其中以碳为主，大部分以一氧化碳的形式存在（约710巴），另有约39巴的氢和1.7巴的氮。逃过了地核、最终留在这片大气中的碳，大约相当于今天金星大气中二氧化碳的15倍；氮则大约与金星的氮相当。星子情景给出的天空更加沉重，约1350巴，成分相似。

卵石构建的原始地球在生长过程中的大气：交付一旦停止，铁雨继续抽走氢和碳，一氧化碳（红色虚线）占据主导。——图7（上），Sparrman和Johansen（2026），arXiv:2610.27788。

吸积结束后，作者预计地幔会被氧化，大气会转向以水和二氧化碳为主，海洋随之凝结。外推到金星的质量，模型给出了类似的起点，约500巴的一氧化碳；作者认为，能够解释两颗行星为何分道扬镳的，可能是地球的板块构造通过埋藏碳所起的作用，而不是不同的诞生过程。

地球是以哪种方式长大的？

原则上，剩余的元素含量可以揭示地球是如何形成的。采用参考数据的卵石模型，是唯一一个与已发表的、关于当今地幔中这三种元素含量的估计全部吻合的模型。但这些估计彼此之间的分歧，和模型之间的分歧差不多大；而关于这些元素如何在金属与岩石之间分配的实验室测量，结果相差好几个数量级——如果采用另一组数据，所有的氢都会进入地核。一氧化碳在岩浆中的溶解度，是影响最大却最不为人知的单一输入参数。作者总结说，更好的实验可以把地球内部的成分变成一份记录，记载这颗行星是如何建成的。