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第1章 我们生活的地球家园(1)

地球的年龄。

我们知道地球形成于很久很久以前,但是究竟有多久,地球究竟多大年龄了呢?古往今来,人们一直在思索和探究这个问题。

最早尝试用科学方法探究地球年龄的是英国物理学家哈雷,他提出通过研究海洋里海水的盐度来推算地球的年龄。1854年,德国科学家赫尔姆霍茨根据他对太阳能量的估算,认为地球的年龄不超过2500万年。1862年,英国著名物理学家汤姆森根据地球从早期炽热状态冷却到如今的状态,推断地球存在的时间在2000万至4000万年之间。

20世纪,科学家们终于发现了测定地球年龄的最佳方法——同位素地质测定法。在地壳岩石中,微量的放射性元素普遍存在,在自然条件下,放射性元素会自行衰变,变成其他元素。因此,只要测出岩石中某种现存放射性元素的含量和衰变后分裂出来的元素的含量,再根据相应元素的衰变关系式,就可以计算出岩石年龄。根据这种办法,科学家们测出最古老的岩石大约有38亿岁。不过,38亿岁的岩石是地球冷却形成坚硬的地壳后保存下来的,并不能代表地球的年龄。

那么,地球的年龄到底是多大呢?20世纪60年代以后,科学家们通过测量和分析陨石年龄以及取自月球表面的岩石标本,发现大多数陨石和月球的年龄都在44—46亿年之间。根据这一发现,科学家们推测出地球的真实年龄是46亿岁左右。

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地球还可以活多久?

排除人为的不确定因素,单从太阳演化对地球的影响方面来说,地球还可以再活几十亿年。

目前我们所处的是太阳为主序星的阶段(意思是,太阳系中所有星体都是以太阳为中心的)。据推测,太阳作为主序星的时间大约能持续100亿年,现在已经过了46亿年左右。在今后的50亿—60亿年里,太阳核心中最主要的氦原子将继续消耗,导致其核心收缩、温度升高,届时太阳外层将会膨胀。当其核心温度升高到100000000K(开尔文温度)时,太阳将发生氦聚变,产生碳。而当太阳内的氦元素全部转化为碳后,太阳将不再发光,成为一颗死星。等到那时,地球可能就会不复存在。

在太阳还是主序星时,它会逐步变得更亮,表面温度缓慢上升。据推测,太阳温度的上升将在9亿年后导致地球表面温度升高,造成目前我们所知的生命无法生存。其后再过10亿年,地球表面的水将完全消失,那时,地球就不再适合人类生存了。

地球的形状与大小。

你肯定知道,我们生活的地球是个椭圆形的球体。但在很久以前,人类并不知道地球是椭圆形的。那时候,人类的活动范围很有限,无法看到地球的全貌,所以不同地方的人们对地球的形状有着不同的认识,例如中国古人认为天是圆的,地是方的,而古巴比伦人则认为地球是座驮在海龟背上的山。

地球是一个球体的概念最早是由古希腊人提出来的,不过他们的依据是球体是几何图形中最完美的形状,而并没有任何客观证据。公元前350年左右,古希腊哲学家亚里士多德通过观察月食,根据月球上地影是一个圆形,第一次科学地论证了地球是个球体。16世纪,葡萄牙航海家麦哲伦完成了人类历史上第一次环球航行,证实地球为球体,但这个球体是圆的还是扁的,当时的人们还是无法判断。

17世纪末,牛顿经过研究后认为地球应该是一个赤道略为隆起、两极略为扁平的椭球体。18世纪30年代,法国派出两支考察队,分别在赤道和北极附近进行测量,证明了牛顿的推测。

最早测量出地球大小的是古希腊天文学家埃拉托斯特尼,他计算出地球的周长约为39600千米,这与地球的实际周长只差475千米。

随着科技的进步,现在人们可以利用人造卫星给地球拍照片,可以乘宇宙飞船或航天飞机进入太空。通过这些途径,人们精确地测量出了地球的形状和大小:地球是一个赤道处略为隆起,两极略为扁平的球体,赤道半径为6738.14千米,周长为40075千米,极半径为6356.76千米。

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麦哲伦。

麦哲伦是葡萄牙著名的航海家和探险家,全名叫做费迪南德·麦哲伦。1480年,他出生于一个贵族家庭,16岁进入国家航海事务厅。1519年9月6日,麦哲伦在西班牙国王的资助下,率领一支由5艘帆船265人组成的探险队,从西班牙桑卢卡尔港起航,开始了他名垂青史的环球航行。

他横渡大西洋,在南美洲发现了麦哲伦海峡,进而穿过麦哲伦海峡进入太平洋。此时,船队已处于缺粮断炊的艰难境地,水手们忍饥挨饿,甚至用桅杆上的皮带充饥,顽强地推进航行。在途经菲律宾群岛时,探险队与岛上的土著人发生冲突,麦哲伦受伤身亡。

最后,这支船队只剩下一艘船。这艘船驶至南非好望角,再北上驶抵西班牙,实现了从西方向西航行到达东方的计划,于1522年9月6日返回西班牙塞维利亚港,完成了历时3年的环球航行。

麦哲伦船队的环球航行,用实践证明了地球是一个球体,不管是从西往东,还是从东往西,都可以环绕我们这个星球一周回到原地,麦哲伦因而被世界公认为是第一个环球航行的人。

地球的内部结构。

如果想知道煮熟的鸡蛋里面是什么样子,把它切开就能看清楚了。但如果想知道我们生活的地球里面是什么样子,那该怎么办呢?

地球的内部结构我们无法直接观察到,不过在19世纪中期到20世纪初期,有关地震波的研究则为人们探索地球内部的奥秘提供了有力的支持。1910年,南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇意外地发现,地震波在传到地下33千米处时存在一个不连续的跳跃,他认为这里可能存在着一个地壳和地壳下面不同物质的分界面。1914年,德国地震学家古登堡发现,在地下2900千米处,存在着另一个不同物质的分界面。

后来,人们就将这两个面分别命名为“莫霍面”和“古登堡面”,并根据这两个面把地球分为地壳、地幔和地核三层。地壳与地幔以莫霍面为分界,地幔与地核之间则以古登堡面分隔。如果把地球比做一个鸡蛋,那么最外部薄薄的地壳就好比蛋壳,地幔就是裹着蛋黄的蛋白,位于中心部位的地核就是蛋黄。

地壳是地球的固体外壳,厚度很不均匀,大陆地壳平均厚度约30多千米,而海洋地壳厚度仅5—8千米。地壳包括两层:上层是花岗岩层,它构成了大陆的主体,下层是连续的玄武岩层。

地壳的下面一层是地球的中间层——地幔,位于莫霍面和古登堡面之间,厚度为2900千米。地幔是地球内部体积最大、质量最大的一层。

地幔的下面是地核,平均厚度约3400千米,由铁、镍组成,温度超高,约有4000度—6000度。它是地球的核心部分,占整个地球质量的31.5%,体积占整个地球的16.2%,而且密度非常大,即使最坚硬的金刚石,在这里也会被压得像黄油一样软。

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地震波。

地震波是由天然地震或通过人工激发的地震而产生的弹性振动波,在地球中由介质的质点依次向外围传播。

地震波在从震源向四处辐射扩散的过程中,速度会发生几次突变,分别在莫霍面和古登堡面,而地球也借此由外而内分成了地壳、地幔和地核三个圈层。

地震波按传播方式分为三种类型:纵波、横波和面波。其中,纵波(P波)是推进波,在地壳中传播速度为5.5—7千米/秒,最先到达震中,使地面发生上下振动,破坏性较弱。横波(S波)是剪切波,在地壳中的传播速度为3.2—4.0千米/秒,第二个到达震中,使地面发生前后、左右抖动,破坏性较强。面波(L波)则是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波,其波长大、振幅强,只能沿地球表面传播,是造成建筑物强烈破坏的主要因素。

地球上生命的起源。

如今的地球上生活着形形色色、种类繁多的生物。可是你有没有想过,这些生命最初是怎样在地球上出现的呢?

早期的地球是炽热的,上面的一切元素都以气体状态存在,此时生命并不存在。研究认为,生命起源于非生命物质,并且经历了一个极为漫长的演化过程。

原始地球的大气中含有许多有机元素,包括碳、氢、氮、氧、硫等,这些元素在自然界各种射线、雷电等条件的影响和作用下,形成了许多与生命有关的简单的有机物。有机物又通过雨水作用,经湖泊、河流汇集到原始海洋中。在原始海洋中,这些有机物不断相互作用,经过漫长的岁月,进一步生成了较为复杂的有机物,如蛋白质、核酸等。

后来,这些有机物又在漫长的岁月中通过各种变化逐渐形成了具有原始新陈代谢和自我繁殖能力的原始生命体。这些原始生命体既能从周围环境中吸取营养,又能将废物排出体外。原始生命体再经过极其漫长的历程,才逐步进化成如今丰富多彩的生物世界。

生命的起源是一个相当复杂的过程,需要各种资源进行综合作用,再经过长期的演化才能产生。

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地球上到底有多少种生物。

科学家曾经估计世界上的生物物种有150万,但随着科学研究的不断深入,这个数字目前已上升到3000万—5000万。热带雨林的生物多样性最为突出,在那里生活着全世界半数以上的物种。在我国,生物多样性突出体现在广东、广西、福建、云南、四川等地区。

生物多样性具有很高的价值,它不仅为工业提供原料,还可以为人类提供特殊的基因,如耐寒抗病基因,使培植动植物新品种成为可能。此外,许多野生动植物还是珍贵的药材,为治疗疑难病症提供了可能。

但是,随着环境的污染与破坏,如森林砍伐、植被破坏、滥捕乱猎、滥采乱伐等,目前世界上的生物物种正在以每小时一种的速度消失。这是地球资源的重大损失,因为物种一旦消失,就永不再生。消失的物种不仅会使人类失去一种自然资源,还会通过食物链引起其他物种的消失。

20世纪80年代开始,国际社会开始意识到保护生物多样性的重要性,制定了一系列的国际公约,其中最重要的是《生物多样性公约》。1992年,我国成为世界上首先批准《生物多样性公约》的六个国家之一。

地球的自转和公转。

地球就像一个不停旋转的陀螺般日夜旋转,可是在很久以前,人们却认为地球是不会转动的。古人认为地球是宇宙的中心,太阳、月亮和星星都在围绕地球旋转,一直到了16世纪,波兰科学家哥白尼才在《天体运行论》一书中完整地提出地球自转和公转的概念。1851年,法国物理学家傅科在巴黎成功地进行了一次著名的实验——傅科摆实验,有力地证明了地球是绕着地轴不停旋转的,这就是地球的自转。

地球自转的方向是自西向东的,自传一周需要的时间约为23小时56分。从地轴北端或者北极上空观察,地球呈逆时针方向旋转;从地轴南端或南极上空观察,地球呈顺时针方向旋转。因为有地球的自转,我们才能看到昼夜更替、日月星辰东升西落等自然现象。

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