书城科普读物人与环境知识丛书:地球与环境
8434100000002

第2章 地球的美丽与神奇(2)

宇宙起源于原始的热核爆炸,化学元素依次产生于大爆炸后的中子俘获过程。

大爆炸开始时约137亿年前,极小体积,极高密度,极高温度。

大爆炸前10~43秒,宇宙从量子背景出现。

大爆炸前10~35秒,同一场分解为强力、电弱力和引力。

大爆炸前10~5秒,温度为10万亿度,质子和中子形成。

大爆炸后0.01秒,温度为1,000亿度,光子、电子、中微子为主,呈热平衡态,体系急剧膨胀,温度和密度不断下降。

……

大爆炸后13.8秒后,温度降至30亿度,氘、氦类化学元素形成。

大爆炸后30万年后,温度降至3,000度,化学结合作用使中性原子形成,宇宙主要成分为气态物质,并逐步在自引力作用下,凝聚成密度较高的气体云块,直至形成恒星和恒星系统。

如果将宇宙的诞生时间比如为三天前,那么,地球则是在两天前诞生的,具体时间约为46亿年。

地球是伴随着太阳系诞生的,在太阳系诞生之初,是由尘埃与气体组成的,它呈巨大的云团形态,不断旋转,引力与惯性将云团压成为一个圆碟状。引力又使得物质环绕尘埃粒子不断紧缩,最终使得圆碟的剩余部分分解开,一些细小的碎片则互相碰撞,组成较大的碎片,最后就形成太阳的行星,这其中有一个就是地球。

有一种学说认为,在地球形成时,旋状的原始地球遭遇了另一个形成中的星体的碰撞,碰撞使大部分地壳被喷出,而这个星体的一些重金属则沉入地球的地核内,它所剩余的物质和地球的喷出物重新形成一个新的球体,这就是月球。人们相信,这次撞击使地球的自转轴倾斜了23.5°,导致地球后来出现了四季变化,并由此可能加速了地球的自转速度,使地球出现了最初的板块构造。

在地球形成的初期,小行星与太阳系形成后剩余的物质不断撞击地球。这些撞击与放射性崩解产生的热、残热与收缩压力产生的热相结合,使得地球完全处于一种熔融状态。在这个过程中,较重的元素沉向中心,较轻的元素升至表面,从而形成了地球的不同圈层。随着时间的推移,地球表面慢慢冷凝,大约在1亿5千万年内,形成了固体的地壳。

在原始地壳形成时,地球不断遭受各种星体的撞击,而内部的高温高压则引起火山喷发,由此逃逸出的气体,形成了地球的原始大气。原始大气层含有氨、甲烷、水蒸气、二氧化碳、氮气和其他含量较少的气体,但没有氧气,这时也没有臭氧层,因此强烈的紫外线大量照射在地球表面。

当流星撞击地球时,也不断带来水,地球本身岩石中大量的结晶水,也由于高温而从矿物中分离出来,形成大量的水蒸气,伴随着地球的冷却,38亿年前云层开始形成,有了降雨,雨水落下逐步汇成原始海洋。

有证据表明,地球在水圈形成之后不久,原始生命就诞生了。在南非巴布顿地区发现的地球上最古老的生命记录,距今已经38亿年。这个时间与科学家们的研究和推测是一致的。

在世界各地,有一种岩石叫做“条带状磁铁石英岩”,世界上许多大型铁矿都是这种岩石,我国的鞍钢、首钢的矿区就是这种岩石。科学家认为,这种岩石的形成,可能是生命参与作用的一个重要证据。

在早期陨石撞击事件中,由于大量的陨铁落到地球,地球表层的铁和硅的含量很高,海水中充满了这些物质。但这样的铁和硅很难沉积下来,只有在一些厌氧生物的帮助下,才会形成沉积物。厌氧生物死亡后,也随沉积物的形成残留其中,就形成了含有早期生命遗迹的条带状磁铁石英岩。这个过程也逐渐地改变了大气圈的化学成分,使大气中的二氧化碳逐渐减少,氧气逐渐增多,慢慢地演变成今天的大气。

海洋是生命的摇篮,原始生命诞生于原始海洋。原始生命的形成,经历了漫长的过程,它从有机物小分子物质,形成有机物高分子物质,再进一步形成多分子体系,然后才成为原始生命。原始生命是地球生命的起点,它就像星星之火,最终形成燎原之势,遍布于地球的各个角落,把地球装扮得生机勃勃,五彩缤纷。

科学家经过大量的研究发现,地球生命的发展并不呈均匀的直线式,而是呈螺旋式的。在最初的5亿年中,生命的进化很缓慢,直到有一天发生了爆炸式的增长,这种增长大约在5.7亿年前的寒武纪初期出现。“寒武纪”是地质史上的一个年代,因最初在英国的一座小山发现独特的地层结构而得名。寒武纪开始,无脊椎动物的绝大多数门类,在几百万年的很短时间内出现了。这种几乎是同时地、突然出现的众多生物种类的现象,被人们称之为寒武纪生命大爆发。

多少年来,人们对于寒武纪生物发现最多的是三叶虫化石,并因此将寒武纪称之为三叶虫时代。1984年,我国科学家在云南省澄江县,首次发现大量的寒武纪动物化石群,后来这个发现被称为“澄江动物群”。这里保存了十分珍稀的动物软体构造,首次栩栩如生地再现了远古海洋生命的壮丽景观,成为“寒武纪生命大爆发”最有力的证据。这个发现在国际上被誉为“20世纪最惊人的科学发现之一”,它为揭开地球早期生物进化的奥秘,开启了一扇宝贵的科学之窗。

云南“澄江动物群”的发现说明,在寒武纪早期,动物多样性的基本体系已经建立起来。这个时期的海洋生态系统已经有了相当完整的食物链。尤其“云南虫”的发现,它将包括人类在内的脊椎动物的历史向前推进了1000多万年。

大约在4亿年前,原始的蕨类植物开始出现,历经近1亿年的时间,大地披上了绿装,地球出现了由真蕨、种子蕨等植物构成的原始森林。同时爬行动物开始出现。这时地球的陆地与海洋,一派生机。到约2亿年前,银杏、松柏类植物繁盛,地球进入了恐龙时代。当恐龙在6500万年前走向消亡时,哺乳动物开始繁荣,到300多万年以前,在非洲大陆出现了最早的人类。由此,地球进入了一个全新的时代。

当地球生物经历由简单到复杂、从水生到陆生的进化过程时,是伴随着沧海桑田的变迁而发生的。在5亿多年前的寒武纪生命大爆发时,地球的大陆和海洋并不像今天的分布格局,而是呈若干块大陆分散分布于大洋中的。那时,南北两极是没有陆地的,而是被广阔的海洋所占领。到2.5亿年前,那些分散分布的大陆逐渐漂移到一起,形成所谓“联合古陆”,有了今天大陆分布的雏形,也就是在这个时期,恐龙所代表的爬行动物开始成为动物界的主人。

后来,联合古陆又发生了分离,在其中的两块大陆之间形成大西洋,南美与非洲大陆分离开来;澳洲和南极洲离开非洲和印度大陆,各自独立漂移出去,印度洋出现。这时的北美、欧洲和亚洲大陆仍连在一起。当恐龙走向灭绝时,印度板块从原有大陆中分离出来,以很快的速度越过赤道向北漂移,向亚洲大陆靠近,最终导致著名的喜马拉雅运动,使原来位于大洋之下的这个地区逐步抬升,最终形成青藏高原,和高高的喜马拉雅山。与此同时,北美与欧亚大陆分离远去,逐步形成现代大陆与海洋的格局。

可以说,现代地球上的高山大川,都是在这最后的大陆漂移过程中逐步形成的。亚洲的喜马拉雅山脉、欧洲的阿尔比斯山脉,以及长达6,000多千米的东非大裂谷,都是在这个过程中形成的。由于海陆变迁的巨大变化,地球的气候也在剧烈的变化着。一批批动植物物种,在不断地适应着,斗争着,旧的物种消失了,新的物种又诞生了。

生命,在这剧烈的环境变迁中展现着美丽和顽强。

(三)被包裹与呵护的地球

我们居住的地球被一层大气圈所包围,大气圈随地球一道转动,形成一个整体。如果我们从星际空间去看地球,大气圈就像一层淡蓝色透明的外衣紧裹着地球,透过这层透明的外衣,可以清晰地看到地面上的山脉、海洋等。如果把大气圈看作气体的海洋,我们就生活在这个海洋的底部。简而言之,大气层或大气圈是围绕着地球的一层空气,是地球外圈中最外部的气体圈层,包围着海洋和陆地。

安徒生童话《皇帝的新装》中描写了一位愚蠢的皇帝,身披着透明的“衣服”,在全体国民面前举行盛大的游行,丢尽了自己的颜面。地球的衣服也是透明的,不过皇帝的新装是虚无的,而地球的衣服是真实存在的。大气层重达5,300万亿吨,如此沉重的外衣,地球能穿得动吗?不必担心,考虑到地球的体重有60万亿亿吨,大气层的质量只占地球总质量的百万分之一,所以地球穿上这件外套,简直是轻若无物。设想一下自己穿上质量为0.05克的服装的感受,就不会为地球担心了。那么地球外衣的材料主要是什么呢?

原始大气主要是二氧化碳、一氧化碳、甲烷和氨等组成。地球在分异演化中,不断产生大量气体,经过“脱气”逃逸到地壳之外,也是大气的一个来源。绿色植物出现之后,在光合作用中吸收二氧化碳,放出游离氧,对原始大气缓慢地氧化,使一氧化碳变为二氧化碳,甲烷变为水汽和二氧化碳,氨变为水汽和氮。光合作用不断进行,氧气从二氧化碳中分异出来,最终形成以氮和氧为主要成分的现代大气。现在大气中氮占总体积的78.09%,氧占20.95%,氩占0.93%,二氧化碳占0.03%,以及微量的氖、氦、氙、氪、臭氧、氡、氨、氢等。此外还有水汽和尘埃微粒等。大气层的空气密度随高度而减小,越高空气越稀薄。大气层的厚度大约在1,000千米以上,但没有明显的界限。整个大气层随高度不同表现出不同的特点,分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层,再上面就是星际空间了。

对流层在大气层的最低层,紧靠地球表面,其厚度大约为10千米~20千米。对流层的大气受地球影响较大,云、雾、雨等现象都发生在这一层内,水蒸气也几乎都在这一层内存在。这一层的气温随高度的增加而降低,大约每升高1,000米,温度下降5℃~6℃。动、植物的生存,人类的绝大部分活动,也在这一层内。因为这一层的空气对流很明显,故称对流层。对流层以上是平流层,大约距地球表面20千米~50千米。平流层的空气比较稳定,大气是平稳流动的,故称为平流层。在平流层内水蒸气和尘埃很少,并且在30千米以下是同温层,其温度在-55℃左右。平流层以上是中间层,大约距地球表面50~85千米,这里的空气已经很稀薄,突出的特征是气温随高度增加而迅速降低,空气的垂直对流强烈。中间层以上是暖层,大约距地球表面100~800千米。暖层最突出的特征是当太阳光照射时,太阳光中的紫外线被该层中的氧原子大量吸收,因此温度升高,故称暖层。散逸层在暖层之上,为带电粒子所组成。