我们生活在地球上,大家形象的把我们赖以生存的地球称之为地球村(Earth village),把我们自己称为地球人。作为地球人不了解地球村是不行的。于是,了解地球是个什么样的星球,它是怎么形成的,它是否还会变化,变老?它是否也有生命的终结呢?作为地球人,我们应该为地球村做什么?这些问题非常基础,也非常有科学内涵。
地球村这个词近几年来出现的频率越来越高,第一原因就是世界变小了,因为交通发达了,科技的迅速发展,缩小了地球的时空距离,所以大家就觉得是一个村子一样。地球给人类提供了空间和条件来生存,人类也必须依靠地球来生存。
我们也可以概括地说,地球与人类有三大依存关系。
第一是地球给人类提供了生存的空间和环境,第二它给人类提供了必须的自然资源,称为三大资源,即矿产资源,能源资源和水资源,现在很多人还提到四大资源,把空气也算成是资源。第三是地球提供人类生存条件的同时也给人类带来自然灾害。例如我国近年来频频出现的地震,另如暴雨、冰冻、海啸、火山喷发等都属于自然灾害。自然灾害是地球生命中的自然现象,人们不能完全避免它,但可以更好地认识它,并尽量减少损失。
也有些灾害是人类生活本身引发和加剧的。例如过载地用水和能源与矿产资源,生产活动和生活消费造成雾霾、水污染等。地球对于人来讲,是它既付出又被消耗,可是人们只有一个地球村,这就引出了“人地关系”这个极为重要的科学命题。
了解和认识地球是地球人应有的“学前知识”。地球有多大年纪了?它是怎样形成的?地球有哪些基本特性?地球会随时间变化吗?会老吗?会死吗?它还能活多久?
地球形成的时代非常漫长,从已有地球的记录到现在,有大约46亿年。也就是说地球现在是46亿岁。46亿岁的地球是它的壮年期。为什么这样说呢?科学家通过地球物质中放射性同位素计算得出,当放射性物质的能量耗尽,还需要大约46亿年,所以地球是处于生命的中期。但是并不是地球一形成就能适合生命生存,那时还没有适合生命的条件,例如温度、空气、水等。
根据古生物学家的研究,大约在5.4亿年前,地球上的生命物种都还有限,大多是一些细菌和微生物。从5.4亿年起,地球上发现的生命化石才开始丰富多彩,所以5.4亿年之后到现在,称为显生宙。之前的地质时代可以分为冥古宙(46-38亿年)、太古宙(38-25亿年)和元古宙(25-5.4亿年),统称为前寒武纪。
当今的地球还会变化吗?当然。地球本身也是有生命的。地球的生命的表现就是它是运动的。
一旦地球的运动停止,地球就死亡了。图1是地球的圈层结构图。我们简单地把地球结构和状态概括为“天圆地圆”。“天圆地圆”是描述地球是有圈层的。从内到外依次是地核、地幔和地壳(图1),我们可以想象成一个鸡蛋或者荔枝。地球的表面圈层还有水圈(海洋圈)、大气圈以及生物圈层。因地球自转速度变化而引发各圈层间的相互作用,更重要的是圈层间的能量与物质也同时发生交换。最普遍发生于地表的地质现象就是火山喷发。
火山喷发是指在一定的地质构造环境中,地幔中由于能量的集中,炽热的岩浆沿着特定的通道(地质构造)上升到地壳,然后喷出地表,最后冷凝固结形成火山岩。“运动的地球”首先指地球内部是有能量的,岩浆作用是在地质演化过程中相当精彩的地质运动。
此外,地壳也不是铁板一块,它们除了地理概念的大洋和大陆之外,还分成很多块,我们称为板块,这些板块之间是由达到地幔深度的断层分割,它们之间还有横向的运动,例如相互碰撞。
这些运动在地表造成了地震等各种地质灾害。同时水圈和大气圈的参与,形成了包括气候灾害在内的各种自然灾害,例如滑坡、泥石流、洪水等地质灾害,构成了复合型自然灾害。在不同板块的边缘,地壳和地幔的相互作用使得山变成海,海变成山,即造成了沧海变桑田、桑田变沧海的巨大变迁。例如8000米以上的珠穆朗玛峰顶,就有海相的石灰岩和水生动物化石,说明原来的海底现在抬升至山顶。
地球的脊梁,喜马拉雅山(来源:NASA空间照片)
中国人自古就认识到海陆变迁,有麻姑献寿、共工怒触不周山等神话传说。麻姑作为一个接待官,“自说云,接待以来,已见东海三为桑田”,摘自葛洪《神仙传·麻姑》。“天圆地圆”和运动的地球,很简单明了的表现了地球的基本结构和运动的本能。运动是地球有生命的象征,内部能量是地球运动的根源。
有些人希望地球没有地震,没有地震说明地球停止了运动,停止运动说明地球没有了能量,那么,地球也就死亡了。2011年3月11日的日本地震就是太平洋板块与欧亚板块相互运动的结果。
运动的地球还有更深的含义,即有生到死的过程。地球是太阳系的一个星球。宇宙、太阳系是怎样形成的,人们知之甚少。地球的最初形成也有很多假说和争论。我们假设地球最初还没有大陆。最初的大陆物质组成陆核,以后陆壳慢慢增大。
在25亿年前,大陆长的和现在相似的大小,而后在23-21亿年前后,大气圈高度氧化,逐渐适合生命存在。太阳系埃塞俄比亚的南方古猿大约年龄在300万年以上,而坦桑尼亚的能人年龄约在190万年,我国元谋的直立人约在170万年。有明确记录的人类文化不外乎8000年。
因此地球演化到人类的时间在地球历史上是非常短暂的,从地球的演化看,是一个温度逐渐变低的过程,即地球本身的能量在消耗过程基本是单向的,越来越冷反映了能量的不断消耗过程。
月球是离地球最近的星球,人们一般认为它和地球有很多成因与演化的联系。已经有资料证明月球在28-33亿年前已经死亡,即没有了能量。现在月球上是非常寒冷的,没有大气圈的保护,上面布满了陨石撞击的陨石坑。月球的归宿也将是地球的归宿。
所以地球不会越来越热最后爆炸。小时曾听大人说地球将来要爆炸,非常害怕。现在明白,地球是还有40多亿年将会冷却死掉。但是地球未死亡的时间不代表人类适合生存的地球的时限。最近有科学家推测,地球适合人类生存的时间还可延续十几亿年,也就是水、气、温度都适合人类生存的时间。不管这些推测合理与否,地球不会因为吝惜人类就不死亡,也不因为受何人控制而延长寿命。地球终有一天会不适宜人类生存。
然而,我们也大不可杞人忧天。一个杞国人,天天害怕天塌下来,终归吓死自己。人类在地球生存的历史上,按时间算仅仅是弹指一间,已经是科技高度发展,还有十几亿时间,相信人类的智慧,会在宇宙中存活下来。很多亿年以后的事,不必“现人忧地”。
此外,地球还有一个基本属性,就是极性。地球的两极是是南极和北极。
我们大家都知道,拿个磁铁放在个纸上,上边放上磁铁矿的细粉末,随着磁铁的运动,磁铁块的粉末就变成有规律的一种排列,它们的轨迹指向两极,极性是地球磁场的方向。地球磁层是一个颇为复杂的问题,其中的物理机制有待于深入研究。磁层这一概念已从地球扩展到其它行星,甚至有人认为中子星和活动星系核也具有磁层特征。磁场的产生主要是地球圈层活动的结果,同时和太阳风以及宇宙的活动有关。
此外,地球的南极北极,也不是一成不变的。地球的极性,一般来讲是平均周期25万年变化一次,南极和北极可以发生倒转。地质学家研究的结果表明,在过去的7600万年中,地磁至少反转过171次。如果仔细分析地磁产生的原因,人们就会明白,磁极变换和电子运动方向的改变是密不可分的两个现象,而这个过程是个耗能的过程,周期逐渐变长显然是不奇怪的,总有一天这个过程会完全终止,而使地球成为一颗没有电磁活动的死行星。
有人问,地球的磁极的变化会不会让地球的人发生灾难?地球磁场发生改变的时间跨度很大,在地质历史中虽然短暂,对人的寿命而言是足够的长。地球磁极平均25万年改变一次,根据纬度的不同,极性变化的持续时间是2000年到11000年。人是基本上感觉不出来的。
作者翟明国,系中科院院士、中国科学院地质与地球物理研究所研究员
来源:中国科学院地质与地球物理研究所