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《科学24小时》

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地球:宇宙中的一颗幸运星

2012-11-30 12:53:19


/吴再丰

 

人类在探索宇宙的过程中,始终在寻找一颗能够代替地球适合我们生存的星球。然而,不管是火星、月球或是木卫二,似乎都满足不了人类的生存条件。迄今人类只有一个地球。

 

众所周知,半径十光年以内的行星中唯有地球存在生命。地球是一颗十分幸运的行星,要知道在银河系中孕育生命行星的几率只有数百亿分之一。地球缘何能脱颖而出,成为孕育生命的幸运行星呢?

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水是生命之源

地球成为生命之星的必要条件是什么呢?众多科学家看法一致,认为稳定存在的液态水是必不可缺的条件之一,至少对地球的生命而言。

地球上最早的生命诞生在海洋,例如深海热泉喷出孔的周边就是生命的摇篮,如果没有液态水,地球就不可能诞生生命。地球上几乎所有生命的体重六成以上是水,并因水才得以维系生命。“水”是由氢、氧两种元素组成的无机物,宇宙中制造水分子氧和氢的物质非常多。

如果没有水,地球的生命就不复存在。例如制造生命体细胞的细胞膜,假如没有水的“极性”,则立刻四分五裂。另外,水大体上可以溶解一般物质,包括生命活动所必需的物质,这些物质能够在生物体中顺利移动。也就是说,生命活动是通过复杂的化学反应和积累来维持的,但是这一切几乎都是在水的参与下进行的。

水还具有调节地球环境的作用。

首先,水的比热比大部分物质要大得多,因此水的温度变化相对较小。所谓“比热”是指每克物质温度升高一摄氏度所需要的热量。水的这一特性对稳定行星气候起到了不可或缺的作用。

其次,海水可以通过海流传导热。假定地球上存在的水量少,海的面积必然会缩小,也不会连结成一体,因此海流就不可能像现在一样在高低纬度地区之间往来自如,从而不能进行热的传导。海流运动造成地球高低纬度地区温差不大,最终诞生了生命并成为人类宜居的星球。

夜与昼·春夏秋冬

行星的自转周期,是由行星诞生时的偶然因素所决定的。地球大约每24 小时自转一圈,而火星则每24 小时37 分自转一圈,水星的自转周期是58 天,金星的自转周期是243 天。也许有人问:如果地球的自转速度比现在慢得多,那会发生什么样的情况?

假定地球的自转是一年转一圈,也就是说,地球在绕太阳公转一圈的同时其本身也自转一圈,结果便是一侧半球始终对着太阳,总是“白昼”,另一侧半球则始终没有阳光,总是“黑夜”。

在昼侧半球,水逐渐被蒸干,而蒸发的水又随着气流被输送到夜侧半球;在夜侧半球,从昼侧半球输送来的水蒸汽变成雪堆积在地面,且难以融化,不久便变成了冰川,结果是昼侧半球被沙漠覆盖,夜侧半球则覆盖着巨大的冰原,昼夜两半球之间的温差悬殊。

值得注意的是,在昼夜两侧交汇处的冰河端,自然有融化的液体水存在,因而部分得益于这个液体水的昼侧半球也就很有可能存在生命活动。不过,生命在这样的行星上活动会受到地域的局限。

地球的自转速度决定着地球上的昼夜时长,而地球自转轴的倾斜度则决定着地球上的四季变换。

所谓“倾斜度”,是指地球自转轴(贯穿南北的直线)相对地球公转面产生的倾斜角度。如今地球自转轴的倾斜度是23.4 度。随着地球的公转和自转运动,地球上不同地区受太阳光照的程度也发生变化,由此形成了春夏秋冬四季。太阳高度上升时期,光照时变长,气温也随之上升,称为“夏季”;太阳高度下降时期,光照时间变短,气温也随之降低,则称为“冬季”。

其实,地球自转轴的倾斜度并非恒定在23.4 度,严格地说有正负一度的变化。打个比方说吧,由于受金星、木星等其他天体引力的影响,行星自转轴的倾斜变化,就好像旋转后即将要停下来时作摆头运动的陀螺,其自转轴会有变化但变化的幅度并不大。

相比地球,火星自转轴倾斜度的变化更大(现为25.2 度)。按计算,它大体上以数万年的周期反复作正负10 度的变化;自转轴竖立时,其倾斜度大约为10度,横向时则为60 度左右。所以,专家们认为在自转轴倾斜度变化大的火星上,理应发生几次大规模的气候变化。

火星现在并不存在液态水。不过,它仍保持着很多因水流动形成的地形,因而有专家也就从理论上将形成这样的地形归结为火星自转轴变化之故,即自转轴的变化使它们融化后产生水流的地形。

同样道理,如果地球自转轴倾斜度为10 度的话,低纬度与高纬度地区的温差就会比现在大,这样北极、南极的冰层可能会加厚;假如倾斜度为60 度,那么在地球赤道附近一年间接收到的太阳光量就会比极地还要少,因而有可能会在赤道形成冰河或冰海。

如此看来,这样的气候变化,如果以10 万年的周期循环往复,对生命而言,地球将是一颗生存困难的行星。但是,在太阳系行星诞生之后,地球身旁出现了一个硕大的月球,情况就不一样了。

月球的半径是地球半径的四分之一多一点(1738 千米),与太阳系其他行星的卫星相比,它对行星的影响更大。这主要是月球所引起的巨大的潮汐力,使得地球自身的摆头运动与其他天体运动(重力)不产生谐振(而火星就是因为自身摆头运动与其他天体的重力产生谐振,才使自转轴的倾斜度发生很大变化),这就为地球上生命的生存环境创造了有利条件。

倘若没有月球,情况就糟了。假定地球自转轴像天王星一样呈90 度倾斜,即自转轴几乎躺倒在公转面上,结果便是太阳夏天不落下,冬天不升起。这与现在的地球相比,夏天更热,冬天更冷,环境更为恶劣、严酷。


悄然失踪的二氧化碳

二氧化碳是具有“温室效应”的气体。行星的气温,很大程度上取决于二氧化碳的浓度。在地球诞生时,地球的大气压跟金星差不多,是如今的90 倍,并且大气中含有大量的二氧化碳。但是,现在地球的大气压是一个气压,二氧化碳在其中所占的比例不过是0.04%。那么过去理应有的大量的二氧化碳到底去哪里了?

首先的去向是海洋。专家认为:“在地球诞生的过程中,由水蒸汽、氢、一氧化碳和二氧化碳构成了大约数百个气压的大气。氢逃逸到宇宙空间,一氧化碳变为二氧化碳。在大气冷却构成海的同时,大量二氧化碳被海吸收,作为碳酸钙沉淀。粗略估计大气压降到十个气压以下。”

其次是溶于雨水,变成碳酸溶于陆地。地质史表明,远在25 亿年前,地球上就曾有过第一次大冰期,此后又经历过六次大冰期,在此过程中大气中的二氧化碳含量明显减少。如果二氧化碳没有充分减少,地球将会因二氧化碳的“温室效应”变成像金星那样“灼热的地狱”。

地球大气中除二氧化碳之外,还有约20%的氧,但火星和金星的大气中几乎不含氧,就这一点足以证明地球是特殊的行星。氧的存在是植物或藻类光合作用的结果。最初制造氧的生物,是被称为“蓝藻”的原核生物。

蓝藻诞生的年代并不清楚,但是大气中的氧浓度开始急速上升是在大约22 亿年前。在那个年代,整个地球还处在被冰覆盖的冻结状态。对于这一时期氧浓度急速上升的原因,专家是这样解释的:当时全球被冰冻结,冻结深度至多达1000 米,但深海并没有被冻上。深海的热泉喷出孔释放磷等营养素,海水中富集了大量营养素。冰融化时勉强存活的蓝藻通过丰富的营养迅速大量繁殖,并通过活跃的光合作用使大气中氧的浓度急速上升。这样地球就成为富含氧的行星了。

除氧气之外,地球大气中还有臭氧层。“臭氧”是三个氧原子结合的分子(通常的氧是两个氧原子)。波长较短的紫外线照射大气中的氧分子,氧分子被分解为两个氧原子,于是氧原子与其他氧分子结合,构成三个氧原子的臭氧。

大约在22 亿年前,当时大气中的氧浓度不太高,紫外线到达地表附近,臭氧在地表附近生成,因此地表附近的臭氧浓度最高。到了6 亿年前,臭氧集中在距地面20 千米左右的区域,聚集成为“臭氧层”。

当时氧浓度急速上升,臭氧的生成在上空进行。已构成的臭氧吸收波长较长的紫外线,自身又被分解为氧分子与氧原子。这样的过程反复多次,大部分有害的紫外线就到达不了地面,从而使地球初步具备了让生物从海里登陆的环境,最后大约在4 亿年前植物和脊椎动物都开始在陆地上生存。

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假如没有板块运动和磁场

地球的气候反复变化,但从宏观上看,它基本维持在液态水可能存在的温度。维持这个温度的“功臣”就是地球表面的板块运动,因为它能自动调节对地球气温起决定性作用的二氧化碳的浓度。从这个意义上说,地球是“天然的空调器”。

研究表明,如果二氧化碳在大气中的含量超过现在含量的0.03%,地球就会增温,反之会导致全球气候变冷,形成冰期。但是,无论大气中二氧化碳的含量如何,地球板块运动所引起的火山活动,都会稳定控制着大气中二氧化碳的含量。倘若地球温度高,火山活动产生的二氧化碳供给量小于大气中减少的二氧化碳含量,会造成二氧化碳浓度下降,气温也随之下降,相应地大气中二氧化碳减少量趋缓。不久二氧化碳的供给量与减少量平衡,气温趋于稳定。

相反,在地球气温较低的情况下,火山活动产生的二氧化碳供给量超过从大气中减少的二氧化碳量,结果是二氧化碳浓度上升,气温上升,从而使大气中的二氧化碳含量增加。不久二氧化碳的供给与减少平衡,气温趋于稳定。

正因为板块运动使地球的火山活动不断地在板块的沉入带或洋中脊等各种场所发生,稳定供给二氧化碳,从而使地球的温度相对平衡。如果火山活动停止,二氧化碳供给中断,整个地球必将被冰冻。

此外,地球磁场也构造了人类在地球上生存不可缺少的屏障。外核在地球内部发生着激烈对抗,通过外核对流产生的地球磁场,包围着整个地球,使人类免受太阳有害射线的照射。在靠近太阳的一侧,该屏蔽的厚度是地球半径的十倍,在另一侧则达到数百倍。我们称这个屏蔽为“磁层”。

磁层防止太阳风倾注到地球。太阳风包含的射线对生命是有害的,而且具有破坏行星大气层的作用。如果太阳风倾注到地球,地球不可能有维持生命活动的环境。太阳风大多是失去电子的氢原子(质子),带正电荷。正是因为磁层的存在,带电粒子在进入磁场时因为前进的路线被弯曲而大多偏离地球而去,保证了地球免遭侵害。

地球具有磁场是因为电流流过地球内部的液态外金属核。如果整个核冷却凝固,磁场也就消失了。所以说“外核正在做对流”以及“磁层屏蔽”是孕育生命所必需的。

宇宙只有一颗幸运行星。

人类只有一个地球。如果不好好地保护环境、珍爱地球,也许人类就再也找不到下一个“家园”了。



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