宇宙中最多的是氫，可地球空氣中卻幾乎沒有它。我們每天吸進(jìn)肺里的，70%以上是氮，而氫幾乎“銷聲匿跡”。氫去哪了？氮又是從哪來的？

宇宙為什么是“氫的天下”？

宇宙中最常見的元素是氫，這不是巧合，而是從宇宙誕生的第一分鐘就決定的。

138億年前，大爆炸之后的宇宙像一鍋開水，溫度高達(dá)上百億攝氏度，充滿了自由奔跑的質(zhì)子、中子和高能光子。隨著宇宙急劇膨脹、冷卻，在大爆炸后第1秒到第20分鐘之間，溫度降至適合核反應(yīng)的區(qū)間，質(zhì)子和中子開始結(jié)合，進(jìn)入所謂的“原初核合成”階段。

在這個階段，最先形成的是氘核（1H + 1n → 2H），然后逐步合成氦（?He）和極少量的鋰（?Li）。但是時間非常緊迫：整個核合成窗口只持續(xù)了大約17分鐘。再晚一點(diǎn)，宇宙就冷卻得太快，核反應(yīng)徹底停擺。

這就造成了一個非常關(guān)鍵的后果，大部分質(zhì)子根本沒來得及參與核反應(yīng)，就直接“被保留下來”成為今天的氫。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型，最終產(chǎn)物中約75%的質(zhì)量是氫，24%是氦，剩下不到1%是所有其他元素的總和。這是為什么你今天看到的恒星、星云、星系，幾乎都是在氫的基礎(chǔ)上“搭建”起來的。

更重要的是，氫原子是整個元素周期表中結(jié)構(gòu)最簡單的原子：一個質(zhì)子，一個電子。它不需要穩(wěn)定中子，不需要復(fù)雜核力平衡，也不容易在高溫下被打散。這種“極簡主義”的結(jié)構(gòu)，在宇宙早期極端環(huán)境下反而成了生存優(yōu)勢。

而那些更重的元素（比如碳、氮、氧），則必須依靠恒星內(nèi)部更復(fù)雜、更緩慢的核聚變反應(yīng)才能誕生。它們不是宇宙大爆炸的產(chǎn)物，而是恒星“次生產(chǎn)線”上的高級貨，這就是它們在整個宇宙中遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如氫常見的根本原因。

這一切并不是理論推測。NASA的WMAP和歐空局的Planck衛(wèi)星先后對宇宙微波背景輻射進(jìn)行了精確測量，發(fā)現(xiàn)其中的元素豐度數(shù)據(jù)與大爆炸核合成模型高度吻合。這些“天文化學(xué)指紋”證實(shí)了氫的統(tǒng)治地位是從宇宙誕生第一天就刻在規(guī)則里的。

所以，氫成為宇宙的老大，不是因?yàn)樗盍裂?，而是因?yàn)樗鼇淼米羁臁⒔Y(jié)構(gòu)最簡單、最能熬過那場開天辟地的混亂。

地球上氫為什么留不住？

氫在宇宙中到處都是，可地球上幾乎見不到它的蹤影。這不是因?yàn)榈厍驔]曾經(jīng)擁有過氫，而是因?yàn)樗?strong>真的抓不住它。

要弄清楚這個問題，得先理解一個基本物理機(jī)制：氣體逃逸。任何氣體分子，只要速度足夠快，就有可能掙脫地球的引力，徹底逃逸到太空中。而決定一個分子能不能逃出去，關(guān)鍵看兩件事：它的質(zhì)量有多輕、溫度有多高。

氫分子（H?）是所有穩(wěn)定氣體中最輕的，分子量僅為2。根據(jù)熱力學(xué)原理，分子運(yùn)動速度與其質(zhì)量成反比，質(zhì)量越輕，速度越快。

在地球上空1000公里的熱層中，溫度高達(dá)1000K以上，在這種環(huán)境下，氫分子的平均速度可達(dá)到5~6公里/秒，而最高速的那一部分甚至超過第二宇宙速度——11.2公里/秒。這意味著，部分氫分子可以直接“沖出地球”，進(jìn)入太空，再也不回來。

根據(jù)NASA的觀測數(shù)據(jù)，地球每天大約損失300噸氫氣，主要通過“熱逃逸”機(jī)制緩慢流失。這是一個持續(xù)至今的過程，從地球誕生之初就開始了。

而且，早期地球的條件對氫來說更加惡劣。那時候，紫外線更強(qiáng)，火山釋放的氫氣更多，大氣層還沒有臭氧層保護(hù)。大量氫氣被高能光子擊碎成原子氫，進(jìn)一步加速了逃逸效率。研究表明，在地球形成后的最初5億年里，可能有超過90%的原始?xì)湟驯粡氐讙呤?/strong>。

相比之下，像氮?dú)猓∟?，分子量28）、氧氣（O?，分子量32）這樣的重分子，平均速度遠(yuǎn)低于逃逸閾值，即使在熱層中也被地球牢牢“鎖住”。這就像是：氫是一群蹦跳著就能翻墻的小孩子，而氮和氧是搬不動腿的大叔，壓根跑不掉。

更極端的例子是火星?；鹦琴|(zhì)量更小、引力更弱、幾乎沒有全球磁場保護(hù)，連二氧化碳都留不住?；鹦悄壳暗拇髿鈮褐挥械厍虻?.6%，主要就是因?yàn)樗B“氣”都拽不住。而地球雖然成功留住了氮和氧，但對氫來說，依然是一個“漏氣星球”。

所以你現(xiàn)在看到的地球大氣中，氫的體積分?jǐn)?shù)不到0.00005%，幾乎可以忽略不計(jì)。不是因?yàn)樗鼪]來，而是它來了又走了，走了就再沒回來。

那地球上的氮是從哪來的？

氫沒留下來，可我們每天呼吸的空氣，78%是氮。這些氮從哪來的？其實(shí)它是恒星的“遺產(chǎn)”。

氮并不是宇宙大爆炸時直接產(chǎn)生的。那場爆炸只留下了最輕的幾種元素：氫、氦和極少量的鋰。要制造氮，得靠恒星內(nèi)部的核聚變反應(yīng)。

在那些比太陽還重的大質(zhì)量恒星里，存在一種叫做CNO循環(huán)的核反應(yīng)路徑，意思是“碳-氮-氧循環(huán)”。它的過程是：碳核與氫核撞擊，經(jīng)過一連串反應(yīng)，氫變成了氦，但在中途會短暫生成氮-14和氮-15這兩種同位素。雖然氮只是短暫停留的“中間產(chǎn)物”，但隨著恒星老去、膨脹、死亡，這些元素會被拋回宇宙。

一些恒星通過超新星爆炸，以極高能量把內(nèi)核元素拋灑到星際空間；另一些變成紅巨星，緩慢釋放外殼氣體，形成“行星狀星云”。這些氮，就這樣漂浮在宇宙中，變成星際塵埃的一部分。

約45億年前，我們的太陽系就是在這樣一團(tuán)富含“恒星尸體碎片”的星云中誕生的。地球也在這團(tuán)塵埃中慢慢凝聚。那些氮元素，混在小行星、隕石、彗星甚至原始巖石中，成了地球的一部分。

那這些氮，為什么最后都跑到了空氣里？

這就跟地球本身的“氣體個性”有關(guān)。

在地球形成初期，整個星球是一顆熾熱的巖漿球。隨著地幔冷卻，火山噴發(fā)開始釋放氣體，這叫做地幔脫氣。

今天我們看到的火山噴發(fā)，噴出來的主要是水蒸氣、二氧化碳，還有少量氨（NH?）和氮?dú)猓∟?）。別小看這些“少量”?；鹕讲恢箛娨惶?。幾十億年來，地幔像壓力鍋一樣，把氮不斷地“吹”進(jìn)大氣層。

科學(xué)家估算，整個地球地幔中可能仍儲存著比大氣層多至少3倍的氮。也就是說，今天空氣中的氮，只是地球長年“放氣”放出來的一部分。

但更關(guān)鍵的是：氮一旦進(jìn)入大氣，它就幾乎不會再走了。

因?yàn)榈肿樱∟?）非常穩(wěn)定。它由兩個氮原子通過三鍵牢牢綁在一起，化學(xué)活性極低。不像氧氣會跟鐵生銹、跟碳化合燃燒；也不像CO?能溶進(jìn)水里被海洋“吃掉”。氮幾乎不參與反應(yīng)，不溶水，不沉降，不喜歡“社交”，只喜歡孤獨(dú)地待在空氣里。

你可以這么理解：氮贏下這場“大氣競賽”，靠的不是數(shù)量多，而是性格穩(wěn)。

這也是為什么，雖然地球上氮的來源有很多路徑（火山、隕石、化學(xué)轉(zhuǎn)化），但最終“氣氛主角”這個位置，只有氮坐得住：它不是最活躍的，但它最耗得住時間。

為什么不是其他元素當(dāng)“主角”？

看到這里相信會很多人問：為什么不是氧氣、二氧化碳、甲烷當(dāng)主角？

這就要看幾個條件：

夠穩(wěn)定：氮?dú)夥肿邮侨I結(jié)構(gòu)，在大氣中幾乎不參與反應(yīng)，壽命極長。

不易溶于水：不像CO?，氮不容易被海洋吸收沉降。

不易被生物消耗：植物無法直接利用N?，氮循環(huán)效率低，氮在生物圈流動緩慢。

不易逃逸：雖然比氫輕，但比逃逸速度慢，能被地球引力牢牢抓住。

相比之下：

氧氣很活潑，被巖石和生命消耗得厲害，直到藍(lán)藻和植物大規(guī)模光合作用后，才在氣氛中積累。

二氧化碳容易溶于水，被海洋吸收、形成碳酸鹽沉入海底。

甲烷是溫室氣體，壽命短，容易被光解，不穩(wěn)定。

所以，氮不是最炫的，卻是最能“熬”的。它不爭不搶，但誰都撼不動它的位置。