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第2章 认识我们的地球(1)

地球是如何形成的

地球,我们美丽的家园。尽管它仅仅是太阳系中一颗普通的行星,但有很多方面确是独一无二的。比如,它是太阳系中上唯一一颗表面大部分被水覆盖的行星,也是目前所知唯一一颗有生命存在的星球。而且,地球地质活动的激烈程度,在行星中也是首屈一指的。大约170多万年前,人类在地球上诞生,但人类知道自己生存在一个不大、且极其普通的行星之上,却仅是近几百年的事。数千年来,人类对自己的生存空间产生过各种想象,也编织出了无数美丽的传说,比如盘古开天辟地、女娲补天等。

自古以来,人类也以各种各样的方法探索着宇宙、星星,但至今为止,还没有确切地发现其他星球有生命存在。在太阳系与行星和它们的卫星中,只有地球有生命,地球也奉献出它所有的一切,无私地哺育着我们人类。

地球与它的母亲

在很久以前,太阳系是由一团星云收缩而成的。在收缩过程中,星云的中央部分温度增加,从而形成了最原始时期的太阳。当太阳的中心温度达到700万℃时,它就会发生氢聚变为氦的热核反应。这种剧烈且迸发巨大能量的反应,就产生了我们今天看到的太阳。

然而,由于星云体积不断缩小,其自转速度也逐渐加快,离心力逐渐增大,因此在赤道面附近也逐渐形成了一个星云盘。星云盘上的物质经过不断的聚集,最后又演化为包括地球在内的8颗行星和其他小天体。太阳系是一个宠大的家族,内部包括太阳及围绕太阳旋转的8颗行星、50多颗围绕着不同行星旋转的卫星、数以万计的小行星以及彗星、流星体等。太阳系的空间范围很大。如果以太阳的轨道作为太阳系的边界,那么太阳系所占的空间直径可长达118亿千米。可是,太阳系也仅仅是银河系中极其微小的一部分而已。在庞大的银河系当中,类似太阳这样的恒星大约有1500亿颗,可见银河系的庞大至极!

那么,太阳和地球有多少岁了呢?通常来说,年龄能通过多种不同的途径来确定。比如树木的年龄,我们就能根据树干的年轮纹数来计算,而太阳和地球的年龄,则可通过岩石中的放射性元素来计算。迄今为止,人类所发现的地球上最古老的岩石年龄约为35亿年,月球上岩石的年龄约为46亿年,而陨石的年龄基本都在47亿年之前。根据这种分析,再结合太阳系演化的研究,科学家们推断:太阳系的年龄应该为50亿年左右,而地球则是在距今46亿年前形成的。

地球能给孕育生命,哺育人类,最大的功劳要归功于太阳。太阳比地球要大得多,其直径可达140万千米,约是地球的109倍;质量约为2000亿亿亿吨,相当于地球的33万倍。而且,太阳也是距离地球最近的一颗恒星,是太阳系中唯一能自身发光的恒星。

每分钟,太阳辐射到地球表面的能量每可达8.16焦耳/厘米2,能使地表平均温度保持在14℃左右,适合生物的生存。如果没有太阳光的照射,那么地面温度会很快降到-273℃左右。

太阳这些巨大的能量到底来自何处呢?

研究发现,这些能量都来自于太阳的中心。太阳的中心属于一个高温、高压、高密度的环境。在这里,4个氢原子便可聚变为1个氦原子,同时释放出能量。而这种能量还要经历数千万年才能传到太阳表面,再辐射到周围空间,包括地球上。

每秒钟,太阳会将大约6.3亿吨的氢转变为6.254亿吨的氦。这也就是说,太阳每秒钟就会失去460万吨的质量。而这些物质又会转化为辐射能量,就不再属于太阳了,所以我们可能会担心太阳有一天会因为“燃料”不足而熄灭。但事实上,太阳的质量是相当巨大的,即使在这种惊人的转化速度下,太阳仍有足够多的氢来保证这种燃烧过程持续进行。天文学家估算,从现今算起的50亿年后,太阳将进入一个氦核聚变的全新阶段。那时,地球上将热得难以忍受,海洋也会被烤干,生命将不复存在,甚至地球上也会被烧成灰烬。不过,这一切是要50亿年之后才可能发生的,现在担心还为时过早。

地球的5个发展时期

地球是人类的发源地,也是人类赖以生存和发展的行星,与人类关系密不可分。地球不仅以它无尽的宝藏养育着人类,为人类提供生殖繁衍的条件,甚至可以说就连人类本身也是地球发展到一定阶段的产物。正因为如此,古往今来不知有多少人在辛勤探索着地球的奥秘。

如今,地球已有46亿年的历史,而人类的产生才仅仅300万年左右,人类文明史却只有6000年左右。因此,人类对地球的了解还是很少的。但是,地球也有其本身发展的规律及周期变化,人类根据地球上各种类型的岩石、化石、岩层变形的迹象、岩层或岩体之间关系等,利用各种方法和探测手段,将地球的演变发展分为5个时期。

童年期:地球是太阳系的成员之一,与太阳系的起源密切相关。因此要探索地球的形成和早期演变史,肯定是离不开对太阳的探索了。而太阳系又是众多恒星中的一员,所以我们可根据恒星的演变规律推测太阳系以至地球的起源。

通常来说,恒星演化大致可分为3个阶段:一是引力收缩阶段,即弥漫星云间的相互引力而聚集成一团团星云;二是核反应阶段,即原始星云间相互碰撞发热,内部进行剧烈的核反应;三是衰老阶段,即作为核聚变燃料氢和氮等逐步耗尽。

根据这一规律我们可以推测,在距今50~60亿年以前,一团星云逐渐集中收缩,大部分物质逐渐进入中心,形成最初的太阳,并开始发光。此后,由于内部核反应产生的巨大能量,使得它时刻在发出光和热。

最初时,地球可能就是由这些大小不一的星云团集聚而成的,但这时的地球还只是许多微星的集合体,此后在引力收缩和内部放射性元素衰变产生热的情况下不断受热,当内部温度达到一定程度时,便形成了地核和地幔。

地球的童年应该从距今46亿年形成时期算起,大约延续到距今30亿年左右。

少年期:从距今30亿年到5.7亿年这段时间,地球进入少年期,即前古生代时期。地球进入少年期是以最早出现的小块陆核为标志的,后来的大陆就是陆核扩大形成的。直到25亿年前,各大陆内相继形成稳定的小块陆地。到了距今17亿年左右,地球经历了一次稳定大陆形成事件,稳定大陆的面积才大大增加,大陆才差不多形成了它现在的规模。

古生代期:古生代期的地层分早、晚两个时期,早期可分为寒武、奥陶、志留3个纪,晚期则包括泥盆、石炭、三叠3个纪。地球到了这个时期,已经历了几十亿年的演变,大气圈、水圈、岩石圈等都与今天地球的情况差不多。从石炭纪晚期开始,强烈的构造运动使地槽内的沉积岩和火山岩层发生剧烈褶皱,成为褶皱山系。这种构造运动不断进行,直到晚古生代末期才完成。这个运动也叫做华力西(阿尔卑斯山脉中的华力西山)运动。

华力西运动使海水退去,大陆面积扩大,从而令生物界向大陆进军的进程又向前推进了一步。在古生代时期,植物界也从低等的水生藻类进化为较高等的陆生植物,动物界从低等的海洋无脊椎动物进化为鱼类和陆生爬行类动物,完成了向大陆的转化。中生代期:中生代期可分为三叠、侏罗、白垩3个纪,从距今2.3亿年起到6700万年前结束,延续时间约为1.6亿年。中生代开始后,地球出现了新的转折,各个陆块逐渐漂移到现代所处的位置,岩石圈也经历了一系列的变动。到了三叠纪末期,北美、南美间和欧亚、非洲间出现了较大的分裂,南部的几个陆块间也出现了分裂,并互相移开。到了侏罗纪晚期,陆块再次分裂,北美和欧亚大陆间,南美和非洲间,产生了一条南北方向的大裂隙,陆块向两边错开,海水浸入,这就是大西洋。到了白垩纪晚期,各大陆有继续移开,南大西洋有了明显的扩张。

新生代期:新生代期是地质历史时期中最年轻的一个时代,包括现代在内的整个新生代大约为6700万年。虽然时间较短,但这个时期地球表面的海陆分布、气候状况及生物界面貌等,都逐渐演变为现代的样子。

新生代期,非洲与欧洲的接近和印巴次大陆与亚洲的相撞,使得一部分岩石圈上层物质相互推挤,形成了南北半球之间绵延几乎达地球半周的雄伟的山系和高原,如阿特拉斯山、阿尔卑斯山、喀尔巴阡山、高加索山、帕米尔高原和山地、喜马拉雅山和青藏高原等等。这就是阿尔卑斯山造山运动和喜马拉雅山造山运动的产物。

此外,在大陆边缘各种作用和岩石圈物质运动的作用下,互相挤压再次出现,从而形成了现在的许多山地、高原、盆地和平原。

在新生代时期,各种动物也陆续出现,生物经过几十亿年的进化,也走过了从无到有、从低级到高级的发展阶段,并最终的新地质历史时期产生了人类。

地球的形状

关于地球的形状,从古到今人类就在不断探索。公元前五六世纪,古希腊哲学家认为地球是球形的。而到了公元前350年前后,古希腊学者亚里士多德根据月球上地影是个圆形,第一次科学地论证了地球是个球体。到了1519年,葡萄牙航海家麦哲伦完成了第一次环绕地球的航行,从而证实了地球是球形的观点。从此,人类就一直将自己所在的世界称为“地球”。

那么地球有多大呢?最早算出地球大小的是希腊地理学家埃拉托斯特尼。他在公元前3世纪用三角测量法测量了阿斯旺和亚历山大城间的子午线长,得出地球的周长约25万希腊里(39600千米),与实际长度只差340千米。

到了1672年,法国天文学家李希通过测定,发现地球赤道的重力比其他地方小,从而认为地球应该是扁球形的。到了17世纪末,英国科学家牛顿也研究了地球自转对地球形态的影响,理论上认为地球并非一个很圆的球形,而是个赤道处略隆起,两极略扁平的椭球体,赤道半径比两极半径长20多千米。到了18世纪中期,法国巴黎科学院又证实地球确实为椭球体。

随着科技的发展,20世纪50年代后,很多种途径都可以测量地球的形状,尤其是人造卫星上天,再加上电子计算机的运用,人们可以更精确地测量地球的大小和形状了。通过实测和分析,确切的数据显示:地球的平均赤道半径为6738.14千米,极半径为6356.76千米,赤道周长和子午线方向的周长分别为40075千米和39941千米。测量还发现,北极地区约高出18.9米,而南极地区则低24~30米。

通过数据我们可以得知,地球的形状类似一个梨:赤道部分鼓起,是“梨身”;北极有点尖,像“梨蒂”;南极有点凹进去,像“梨脐”。整个地球则像个梨形的旋转体,因此人们称它为“梨形地球”。其实更确切地说,地球应该是一个三轴的椭球体。

相关链接——地球的变化与生命的出现

地球大约诞生于46亿年前,刚刚诞生时的地球与今天也大有不同。根据推断,地球刚刚形成时是个由炽热液体物质(主要为岩浆)组成的炽热火球。随着时间的推移,地表温度不断下降,固态地核逐渐形成。同时,密度大的物质会逐渐向地心移动,密度小的物质(岩石等)则浮在地球表面,从而形成了今天这样一个表面主要由岩石组成的地球。

自从诞生以来,地球就不断向外释放能量。由高温岩浆喷发释放的水蒸气、二氧化碳等气体,组成了稀薄的原始大气。后来,随着原始大气中的水蒸气不断增加,越来越多的水蒸气凝结为小水滴,再汇聚成雨水落入地表,这就形成了最初的海洋。

海洋的形成为生命的诞生提供了条件。约38亿年前,最原始的生命体在海洋中诞生。此后,生命就不断向更复杂、更高级的方向进化。1859年,达尔文的《物种起源》解释了生命进化的原因。他认为,任何生命都存在变异和遗传,正因为变异和遗传,拥有差异的生物个体之间才越来越多。在自然条件下,不适应环境的生物种群会逐渐被淘汰,而适应环境的生物种群则得以生存繁衍。生命也是不断变异、繁衍和淘汰,从而令地球上的生命种类发展到今天数百万种。

地球内部之谜

陆地、海洋、高山、平原……是我们可以看得见的地球的外貌。可是,在地球的内部,究竟是什么样的呢?热的,或是冷的?固态,还是液态?空心,抑或实体?

有意思的是,1818年,一位美国人,名叫西姆斯,他宣称地球内部是空的并且很适宜人类居住。人们要想走进地球里面,需要通过开在地球南极和北极附近的两扇大门。当时,居然有人对这种荒谬的说法信以为真,甚至为此组织了一支专门的探险队,乘船去南极洲寻找那扇通向地球里边的大门。当然,探险队最后肯定是失望而归了。

其实,如果真有一扇像西姆斯说的“入地之门”,可以让我们知道地球内部的模样就好了。那我们就能直接进去瞧一瞧。可是,人类却是入地无门,因为迄今为止,最深的钻井也不过能钻11千米深,相对于半径为6371千米的地球来说,这个数字连一层皮都算不上。

科学家们最后终于找到了利用地震波来揭开地球深处的奥秘这个办法。原来,巨大的地震使地球产生震动时会传出音波,如同巨锤撞击铜一样。这种音波不但有回声,还可以弯曲,碰到地底下不同物质时,会发出不同的音调。利用这种办法,科学家们就基本摸清了地球内部的组成结构,并根据不同深度的理化性能等,把地球分为三个部分,即地壳、地幔和地核。

地壳

地球最外面的一层是地壳。如果我们把整个地球比喻为一个蛋的话,那么地壳就好比是蛋壳。地壳厚度各地不同,高山地区比较厚,海洋地区比较薄,整个地壳平均厚度约18千米(大陆部分平均35千米)。

我们可以把地壳分为上下两层。上层以氧、硅、铝这些化学成分主,因其平均化学组成和花岗岩相似,故将之称为花岗岩层,也有人叫它“硅铝层”。该层在海洋底部特别是在大洋盆底地区很薄,在太平洋中部甚至缺失,是不连续圈层。下层含硅和镁丰富,平均化学组成和玄武岩类似,故称为玄武岩层,也有人称之为“硅镁层”,在大陆和海洋均有分布,是连续圈层。

氧是地壳中含量最多的化学元素,在地壳总重量中占48.6%;其次是硅,占26.3%;以下依次为铝、铁、钙、钠、钾、镁。砹和钫丰度最低,约占1/1023。以上8种元素在地壳总重量中占98.04%,其余80多种元素共占1.96%。

地幔

地幔位于地壳和地核之间的中间层,也就是从地壳向下到约2900千米深的地方,相当于鸡蛋的蛋白。地幔呈固态状,但又具有一定可塑性,在短时间内可保持一定形状,但如果放久了,就会变形。地幔的主要构成成分是铁和镁的硅酸盐类。