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二氧化碳和水都是强效的温室气体，这种气体允许太阳的可见光进入，地面由此变暖，而地面以红外辐射形式散发的热量则又会被它吸收保存，因此温室气体就像毯子一样让地表保持温暖。当时地球大气层含有大量二氧化碳和水，可以保存相当多的热量，于是变得极热，地表温度可能高达200至300摄氏度，这与我们现今凉爽的表面温度（平均只有15摄氏度左右）截然不同。金星的大小和组成都与地球相似，可能也有过相似的大气组成，但金星离太阳比我们更近一点，会有更强烈的温室效应，气温甚至更高。实际上，金星目前仍然接近这个状态，表面温度近500摄氏度。起初，地球和金星的大气中二氧化碳含量十分相近，可能水的含量也是。直到今天，金星的二氧化碳绝大部分都仍保存在它厚重的大气层中，表面气压是地球的90倍。（要得到相当于地球表面90倍的气压，我们得潜到1000米左右的水下才行，这是只有潜水艇才能抵达的深度。）地球大气层当时很可能也有这么多的二氧化碳，至少也是今天的60倍，然而，地球和金星如今的结局却是大相径庭。
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今天的金星在地表或大气层中都几乎不含水，大气层中仍然几乎全被二氧化碳填满，因此地表十分炽热，甚至热到岩石在夜里都会发光。地球的大气层就要稀薄多了，二氧化碳含量也非常少，当然就十分凉爽，能够存在海洋和液态水，也就有了生命。既然这两颗星球的起点如此相似，那究竟是什么让它们南辕北辙了呢？
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前面说到，地球和金星的大气原本都极为厚重，充满二氧化碳和水汽，表面压强和温度都非常高。在地球上，阳光稍微少那么一点，因此可能就刚好气温够低而表面压强够高，使得地表可以存在液态水。今天在我们的1标准大气压下，水会在100摄氏度烧开，但如果气压更高，烧开的温度也会更高，这也是高压锅的工作原理。具体来讲，在60倍的大气压下，如果气温在200到300摄氏度之间，水可以在地表变成液态水（精确点说，低于270度就行了）。这些液态水与板块运动重塑地表产生的岩石（tectonic resurfacing of rocks）相结合（下一章我们会详细讨论），可能就足以启动将二氧化碳从大气中吸取出来、结合到岩石中的进程了。这个进程会使大气慢慢冷却，于是会有更多液态水，吸取更多二氧化碳，如此往复，渐趋佳境。更多液态水的出现和地表越来越冷同样也促进了板块运动（参见前一章），促使吸取二氧化碳的工作继续进行，最后在我们大气中留下来的就只有少量的二氧化碳，别的都结合到岩石中去了。
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而金星上的阳光则要多一些，很可能就热过了头，大气无法排出液态水，水汽只能滞留其中，令金星酷热难耐。最终，太阳紫外线会将水分子分解为氢和氧，氢会逃逸到太空中去，而氧十分活泼，会与地表矿物相结合。结局就是，只有痕量的水汽还留在金星的大气层里了。雪上加霜的是，缺乏液态水以及表面高温的状况，可能阻碍了常规的板块构造重塑地表的活动，原本这种板块运动还能帮着从大气里吸取二氧化碳。所以说，地球是处在了一个恰好的点上，液态水和板块运动共同作用，一起吸取二氧化碳，最后就有了可供栖居的地表环境。金星从来没有达到过这个条件，无论是液态水还是板块运动都无法在这颗行星上立足，因此它的表面环境也就仍然是地狱般的炎热、干燥、贫瘠。
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今天地球的大气层比它初诞生时要稀薄得多，如今它最主要的成分是氮气（接近80%）和氧气（约20%），还有少量其他气体，比如残留的二氧化碳、从海洋中进进出出循环着的水汽，以及该在哪还在哪的惰性气体氩气。大气中的氧气几乎全部由生物的光合作用制造出来，即让一部分未结合到岩石中的二氧化碳与水结合，生成有机分子（也就是糖）和氧气（第七章会有更多光合作用的内容）。地球上的氮气则很可能是经由火山活动从地幔中释放的次要成分（相对于水和二氧化碳来说），但由于氮气也相对惰性、不活泼（地球的温度远高于它的凝结点），因此进入大气后基本上在哪儿产生就在原地待着。在大量二氧化碳从大气里结合到岩石中（稍后还有较小一部分进入有机体）之前，氮气是大气中较为次要的成分，但在那之后，氮气就成为主要成分了。
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鉴于地球与金星大小几乎完全相同，二者大气层的对比已足够明显，但火星大气层的演化历程还能提供有用的对比。火星现在的大气层几乎全部是二氧化碳，厚度是地球大气的1/100，平均表面气压是我们海平面气压的1/100不到；这意味着我们要是不穿宇航服站在火星表面，感觉就像在真空里一样。火星的表面温度极冷，平均在零下60摄氏度左右。火星两极的极帽绝大部分是水冰（还有一些二氧化碳干冰），而在地壳的永冻区域中可能还有数量可观的冰。赤道地区温度可以高到让冰不稳定，但大气太稀薄，冰往往会升华，也就是从冰直接变成水汽而不是先变成液态水。这样一来，火星大气中是会有一点水汽，但最终会在高纬度地区化作雪降下。不过，过去几十年对火星的大量行星探测（聚焦于寻找生命的迹象）发现它曾有过相当多的液态水，证据就是存在像河流侵蚀的地形以及远古的冲沟。所以，在火星历史上的某些时刻，火星大气也曾厚重温暖，使液态水能够存留。
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也有零零星星的证据表明火星在遥远的过去曾有过板块构造运动，很可能与液态水存在的时期相同，因此这也有可能是某种“水—碳—板块运动”相辅相成的循环，就像我们现在地球上的一样，但这几乎纯属臆测。无论如何，火星失去了厚重的大气层，今天留下来的只不过是脆弱的气体薄层。
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火星失去了或许存在过的厚重大气层，最可能的原因之一是火星实在太小，无法紧紧抓住这个温暖的大气层。由于在温暖的大气中气体分子很容易达到足够的速度逃离火星的重力束缚，所以大气层在慢慢向宇宙空间泄漏。而与此同时，火星的大气层可能还在被太阳风层层剥离，就是今天太阳风也还在携着高能带电粒子（也就是离子）吹向各行星，这些粒子将大气层从最外层开始慢慢侵蚀掉了。地球的强大磁场能使太阳风偏转，从而保护了大气层（以及我们）免受这些粒子和其剥离的影响。金星没有磁场，于是到今天它的大气层都还在遭受剥离之苦，只是由于金星大气层够厚重，金星也有足够的重力抓住气体分子，剥离造成的损失很慢。火星可能也有过强大的磁场（使人们得出“火星曾有早期板块运动”的推断的那个人造卫星观测，同时也在火星地壳中发现了磁性条纹，跟上一章说到的地球上海底扩张中心的磁性条纹很像，由此可以推断出火星也有过磁场），但今天已经不在了，而且很可能只在历史上存在过很短的时间，因此火星大气层面对太阳风侵蚀时简直不堪一击。火星板块运动及其磁场的消失（也可能从未有过），仍可由其尺寸得到最佳解释：火星个头太小，无法将行星形成时期余下的早期初始热能留在自己内部，因此它的地幔和地核的对流太微弱，无力驱动板块运动或是地核发电机。
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地球大气层和海洋的起源，为生命的诞生奠定了基础。而要让我们这个星球能够宜居，除了提供温和宜人的气候，海洋和大气的结构及运动还扮演了其他重要角色。这些我们下一章再细说。
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大气层的最底层叫作对流层，平均厚度为10千米左右（在赤道要厚一些，在极地要薄一些），我们认为这里是风起云涌等各种天气现象的舞台，是大气层中进行热对流的地方。大气的热对流与地幔热对流并不相同，在大气中，地面吸收的太阳热量加热了地表附近的空气，气团随之上升，在高空冷却后又降回地面，但未必是降回它出发的地方，可能是别处。所以，对流层是底部较热而顶部较冷。我们很快会发现，对流层的对流运动牵涉一些复杂性，但基本上正是这样的对流带来了风起云涌等天气。
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对流层上面是平流层，在那里气温随高度而增加。因此，平流层顶部的空气热、轻，比较稳定，也就是说不会下沉，于是气溶胶和火山灰很容易滞留于此。（平流层的稳定性使之不会对流，因此很少有湍流，这也是为什么商业航班会在平流层底部飞行。）平流层较高的气温要归因于臭氧的存在，这是一种由3个氧原子构成的分子。平流层臭氧来自普通氧分子（也就是2个原子构成的分子），分解后也变回普通氧分子，这个循环的两边都与吸收来自太阳的特定种类紫外辐射有关，正是这些紫外辐射使平流层因吸收了太阳能而变热。对地球表面的生命来说，这个效应非常重要，是使生命免受紫外辐射伤害的保护伞。在这个意义上，生命的诞生和氧气的生产是自我强化的过程，因为后者创造了臭氧防护层。这个过程也突出表明了，为何失去臭氧是巨大灾难，以及为何20世纪70年代时提出理论、1985年正式发现的南极臭氧洞现象，得到了如此广泛的关注，并引发了全球性的行动和污染控制以图修复。
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平流层可以延展到海拔50千米左右的地方，在它上面是更稀薄的中间层。中间层顶部高度可达100千米左右，而且通过辐射散热的效率很高，因此比平流层要冷。中间层上面是热得多但又稀薄得多的热层，顶部高度达600千米左右。热层上面则是外逸层（顶部会延展到至少10000千米甚至更高），再上面就是行星际空间了。中间层上部、热层及外逸层下部都有显著浓度的高能离子化原子，因此统称为电离层，是传输全球无线电波的天然通道。
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我们还是回到对流层好了。这一层的对流由太阳加热驱动，在靠近赤道、阳光直射的热带地区最强，在阳光更为漫射的极地最弱。如果地球没有自转，对流就会表现为这样的形式：热空气从赤道地区被加热了的地面上升至对流层顶部，然后向两极运动，到了极地变冷、下沉，再从极地沿着地表回到赤道。但是，地球的自转可是相当快，赤道地面的空气持续向东移动（从地球上空一个固定的观察点来看），速度非常快，1天之内走过地球的周长，也就是24小时走完40000千米，即1700千米每小时。靠近两极的地面空气，运动就要慢得多，因为在24小时之内要走的一圈比赤道那里的一圈要小得多。到了极点，空气就完全不需要移动了，只是在原地慢慢打转。这样一来，在赤道那儿上涌的空气就有很高的东向速度，等它升腾起来朝着冷一些的极地运动时，相对于下方的地面来说就越来越快地向着东边运动了。因此，当这股温暖的上涌气流准备向随便哪个极点前进的时候，相对于周遭环境来说，它会越来越向东偏转，一直到实际上就是在沿着一个特定纬度的纬线圈完全向东运动。最终，气流失去了热量，沿着同一个纬线圈下沉，在地球上这个纬度就差不多是30度（北纬30度，你可以想中国的杭州或是美国的佛罗里达州；南纬30度，就是澳大利亚的珀斯）。冷却下沉的空气撞到地面后，摊开变成向北和向南的两股气流。其中紧贴地面流向赤道的那股，会发现自己相对周围环境来说向西偏转了，道理仍然是赤道那边的地面向东运动得更快一些。向西偏转的气流就形成了信风（也就是贸易风），这是热带地区的盛行风向。温暖空气从赤道上升，行进到纬度30度上下，然后冷却下沉，再扩散开来回到赤道，这整个环流就构成了哈德雷环流圈。与此相反，从纬度30度左右冷却下沉的气流中分出来、贴着地面去往极地的那一股，会跟起初赤道那儿的上涌气流一样向东偏转，就形成了中纬度西风带，这是欧亚大陆大部分地区以及绝大部分美国大陆的盛行风向。（“东风”“西风”这样的术语可能会有点儿让人犯糊涂，因为这些词说的是风分别从东边还是西边吹过来，所以西风就是往东边吹的风。）
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最后要说的是，极点的冷空气想要沿地面铺开向赤道行进，就会进入周围都在以快得多的速度向东运动的环境中，这样一来气流相对周围就在向西偏转了。这些向西偏转的气流叫作极地东风带，是从极点一直降到纬度60度附近（北纬60度，比如美国阿拉斯加，南纬60度，就还在南极洲的外缘）高纬度地区的盛行风。地球的南北两个半球各自有这样三个旋转方向相反的对流环，平行于赤道将地球包裹了起来。正是这些对流负责将热空气从赤道输送到极点，再将冷空气从极点输送回赤道，在这过程中还顺便驱动了全球的盛行风系，实际上盛行风就是每一个对流环底部的气流。这些盛行风向基本上决定了所有天气模式的走向（急流也拜其所赐），它们产生于每个对流环的上部及不同对流环之间。人类在扩张时期，航海迁徙于各大陆之间，盛行风对此也是至关重要。
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强劲的信风也会将热带的海水向西推动，这些海水到达了洋盆西侧边界之后就会一分为二，成为向北和向南的两股洋流，形成像墨西哥湾暖流那样的环流型。墨西哥湾暖流将温热的海水带到北大西洋，在美国东北部和欧洲西部营造了温和的气候。墨西哥湾暖流中的温暖海水最终会在北大西洋变冷，而那里干燥、强烈的西风也会造成蒸发，使那里的海水盐度变得格外高。又冷又咸的海水很重，就会剧烈下沉，这个过程叫作热盐对流。由盛行风和热盐对流共同驱动的洋流，极大推动了全球海洋的循环、混合与翻腾，这要几个世纪才能完成一次。海水翻腾混合的长周期也决定了海洋对气候的调节——也就是改变气温、温室气体的浓度等——得多久才能奏效（详见下章）。
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大气对流扮演了传送带的角色，将热空气从热带地区输送到两极，也将冷空气按相反方向输送。然而，地球的自转打破了对流循环，将它在南北两个半球各分为三个环流，南北的对应环流方向两两相反。每个环流底部的气流也都因为地球的自转而向东或向西偏转（这取决于气流是在远离赤道还是朝向赤道），这些气流就组成了地球大气中的盛行风。（图片由Barbara Schoeberl授权使用）
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大气对流环也决定了水汽如何通过大气层输送到全球。赤道地区的剧烈加热导致水分大量蒸发，进入温暖的上升气流。上升气流行到高处后就水平散开向南向北运动，水汽遇冷而凝结，成云致雨，这就是热带如此潮湿多雨的原因了。等这气流到了该沉降的位置，也就是纬度30度上下的时候，它已经丧失了水汽。所以沉降气流十分干燥，往往会吸干它着陆的地方，造就干旱地区，比如撒哈拉沙漠、索诺兰沙漠（美国与墨西哥边界）和澳大利亚内陆大部分地区；在干旱地区与海洋交会的地方，还会造就地中海型环境，像是地中海（还用说嘛）和美国加利福尼亚州大部分地区那样。这些不同的气候带与湿度区域，对农业发展有重要作用，因此也在人类历史和史前史的潮起潮落中扮演了重要角色。
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上面说到，地球的大气环流主要由它相当快的自转运动所控制，由大气环流驱动的海洋环流自然也是一样。金星的自转极为缓慢，甚至是反着转的，就是说跟我们地球及太阳系里绝大部分其他行星的自转方向都相反。金星每243天才转完一圈，这甚至比1个金星年（大致相当于地球的225天）都还要长那么一点。金星自转为何如此缓慢又如此奇特？又一个关于我们姊妹星球的诸多未解之谜。虽说自转起来有气无力，金星倒是有强劲的风，就在靠近赤道的高空大气中，风向与自转方向相反（在地球上，哈德雷环流圈顶部的气流可是跟地球自转方向一致的）。火星的自转则几乎跟地球的一模一样（没有明显的原因，或许纯属偶然），甚至在它极为稀薄又几乎全是二氧化碳的大气中，也有近似于哈德雷环流圈的对流，将热量甚至是水汽从赤道地区输送到两极。火星环流会引发剧烈的劲风，风又卷起巨大的尘暴，有时一次尘暴就能将整个火星吞没数月之久。
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尽管我一直是以地球为中心在讲这个故事，也只与我们邻近的类地行星做过零星对比，但要是不提一提木星和土星上引人入胜的大气层，本书就显得太狭隘了。木星土星都有与前太阳星云高度相似的化学组成，基本与大爆炸之后的宇宙相同，略有改动而已。也就是说，这两颗行星都主要由氢气组成，还有一些氦气，以及少量在超巨星里生成的更重的元素。虽然两颗行星体型巨大，自转速度又比地球快2倍多（两颗行星的1天都是10小时左右，木星更快一点），但是它俩从太阳接收的热能却比地球少得多（木星接收的太阳能是地球的4%，土星仅约1%）。两颗巨行星也都有束束急流、朵朵白云，这表明行星上有多个（简化了讲）哈德雷类型的环流圈，不过驱动这些环流的能量，很可能绝大部分来自行星内部散发的热能。名为纬向风的一束束急流速度极快，在土星上时速能达到1600千米以上（地球上最快的风速在龙卷风里，时速最多也就能到500千米左右）。两颗行星也都有巨型气旋风暴，大体类似于地球上的气旋（就像是飓风或者东北信风，不过这两种都与水的蒸发和凝结有关，并将此作为能量来源），但规模大得多得多。土星北极有一个巨大的气旋，而木星著名的大红斑就是一个气旋风暴，体积大过整个地球，而且已经持续一个多世纪。
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在我们太阳系的所有行星中，地球的大气层既不是最大的，也不是最热的，不是最冷的，也不是最快或最慢的，但却有一个迷人的原因让它独一无二：这个大气层与自身的初始状态完全不同。所有其他行星的大气层，都几乎与超过40亿年前给定的组成一模一样，但地球借着板块构造活动从里到外翻天覆地了一遍，把大气里所有的水排出来造就了海洋，又发展出了生命，因此今天的大气层与它最初的模样再无相似之处。最后，任何已知的行星中，只有地球如此大刀阔斧地改造演进了自己的表面环境。
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万物起源：从宇宙大爆炸到文明的兴起
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