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第13章 人类的家园——你不了解的地球(1)

令人叹为观止的自然奇观、鲜为人知的地域之谜、喜怒无常的气象、触目惊心的地球灾难……作为太阳系有生命存在的星球奇迹,地球一直在浩瀚无际的宇宙舞台上演绎着不朽的传奇。

地球的襁褓——大气

包围地球的空气称为大气。像鱼类生活在水中一样,我们人类生活在地球大气的底部,并且一刻也离不开大气。大气为地球生命的繁衍、人类的发展,提供了理想的环境。它的状态和变化,时时刻刻影响到人类的活动与生存。

地球上面的大气层概况

在地球引力作用下,大量气体聚集在地球周围,形成数千千米的大气层。气体密度随离地面高度的增加而变得愈来愈稀薄。探空火箭在3000千米高空仍发现有稀薄大气,有人认为,大气层的上界可能延伸到离地面6400千米左右。据科学家估算,大气质量约6000万亿吨,差不多占地球总质量的百万分之一。

掌管气象天气的“对流层”

在接近地球表面的大气层里,空气的移动是以上升气流和下降气流为主的对流运动,被称为“对流层”。对流层的厚度不一,其厚度在地球两极上空为8千米,在赤道上空为17千米,是大气中最稠密的一层。大气中的水汽几乎都集中于此,是展示风云变幻的“大舞台”:刮风、下雨、降雪等天气现象都是发生在对流层内的。

适于航行的“平流层”

对流层上面,直到高于海平面50千米这一层,气流主要表现为水平方向的运动,对流现象减弱,这一大气层叫做“平流层”,又称“同温层”。这里基本上没有水汽,晴朗无云,很少发生天气变化,适于飞机航行。在20~30千米高处,氧分子在紫外线作用下,形成臭氧层,像一道屏障保护着地球上的生物免受太阳高能粒子的袭击。

大气层的外套——中间层、热层

从平流层以上到80千米这一层,有人称它为中间层,这一层内温度随高度降低。平流层以上,到离地球表面85千米,叫做“中间层”,又称“散逸层”。中间层以上,到离地球表面500千米,叫做“热层”,顾名思义这一层内的温度很高,昼夜变化很大。在这两层内,经常会出现许多有趣的天文现象,如极光、流星等。人类还借助热层,实现短波无线电通信,使远隔重洋的人们相互沟通信息,因为热层的大气因受太阳辐射,温度较高,气体分子或原子大量电离,复合概率又低,从而形成电离层,能导电,反射无线电短波。

热层顶以上是外大气层,延伸至距地球表面1000千米处。这里的温度很高,可达数千摄氏度;大气已极其稀薄,其密度为海平面处的一亿亿分之一。

两个特殊层

除此之外,还有两个特殊的层,即臭氧层和电离层。臭氧层距地面20~30千米,实际介于对流层和平流层之间。这一层主要是由于氧分子受太阳光的紫外线的光化作用造成的,使氧分子变成了臭氧。电离层很厚,大约距地球表面80千米以上。电离层对电磁波影响很大,我们可以利用电磁短波能被电离层反射回地面的特点,来实现电磁波的远距离通信。

如果大气层被破坏,人类的环境也会受到影响。倘若地球大气消失,大气中的氮、氧、二氧化碳也会随之不存在,这样由于缺乏空气,蛋白质的来源以及碳循环中断,生命现象停止,地球上绝大部分物种消失,只留下能耐受极端严酷环境以及生活在厌氧条件下的一些低等生物存在,那时地球的环境将变得像火星一样。所以我们大家应该行动起来,共同呼吁大家保护大气层,保护我们的家园。

地心游记——剖析地球内部结构

在中学地理课本中,我们了解到地球由地壳、地幔、地核三部分组成,然而截至目前来说,我们对地球的认识还是很肤浅的。尽管科技一直在发展,但我们目前能“触摸”到的还只是地球表面薄薄的一层壳。

“地球中空”假说

地球的最高峰珠穆朗玛峰的高度为8848米,而最深的勘探井深约12千米。对比这些数字,我们会发现,人们可以直接研究的地球表层的厚度仅为20千米左右。那么,再往底下是什么?地球内部中心究竟为何物?这是千百万年来始终令人困惑不解的一个谜。在很早以前,就存在着“地球中空”的假说,认为在地球内部存在着一个“生命世界”。尽管目前我们还没有什么证据证明地球不是中空的,但“地球中空”假说也并没有令人信服的证据。

谜一样的地心

所谓地心就是地球的中心部位;是地层内部地核的俗称,地球的中心部分半径约3360千米,其物理性质与周围的地幔和地壳有明显不同。根据孔洞学说,所有东西里面都不是实心的,由此也推断所有的星球都不是实心的。可是,地心里面又是什么呢?

地核是地球的核心。从下地幔的底部一直延伸到地球核心部位,距离约为3473千米。据科学观测分析,地核分为外地核、过渡层和内地核三个层次。外地核的厚度为1742千米;过渡层的厚度只有515千米;内地核厚度1216千米,主要成分是以铁、镍为主的重金属,所以又称铁镍核。

莫霍不连续面

19世纪中期到20世纪初期,地震波的研究,为人们探索地球内部的奥秘提供了一个好帮手。第一个利用地震仪探索地球内部奥秘的是前南斯拉夫的地震学家莫霍罗维奇。1909年10月8日,前南斯拉夫的萨格勒布发生了一次强烈地震,莫霍罗维奇在研究这次地震所记录的数据时,发现地震波传播的速度在地表下面约33千米处存在一个不连续的跳跃,说明在这一深度的上下物质密度相差很大。以后,科学家确证这个球面是地壳和地幔的分界面,并以莫霍罗维奇的名字来命名,称为莫霍不连续面,简称莫霍面。

古登堡面

1914年,地震专家古登堡在探测远方地震所发出的地震波时,又发现在地表下面2900千米处,地震波的传播速度也发生了急剧改变。这里是地幔和地核的分界面,地学上称做古登堡面。地球内部从古登堡面起,一直到地球中心,称为地核。地核的质量占整个地球质量的31.5%,体积占整个地球体积的16.2%。

发现核中核

1936年,丹麦地质学家莱曼对地核中传播的地震波速度进行了更精确测量,又发现地核可分为内核和外核两部分,内外核的分界处在地表下5100千米处。外核中地震波横渡不能通过,人们推测它为液态。而到内核,横波又重新出现,说明它是固态的。由于地震波在整个地核中的传播速度与它在高压下铁的传播速度相等,人们很自然地想到地核可能是由高压状态下由铁、镍构成的。

地核内部这些特殊结构,即使在实验室里也很难模拟,所以人们对它了解得还很少。但有一点则是科学家们深信不疑的:地球内部是一个极不平静的世界,地球内部的各种物质始终处于不停息的运动之中。有的科学家认为,地球内部各层次的物质不仅有水平方向的局部流动,而且还有上下之间的对流运动,只不过这种对流的速度很小,每年仅移动1厘米左右。有的科学家还推测,地核内部的物质可能受到太阳和月亮的引力牵引而发生有节奏的震动。

地核的体积比太阳系中的火星还要大。由于地核处于地球的最深部位,受到的压力比地壳和地幔部分要大得多。在外地核部分,压力已达到136万个大气压,到了核心部分便增加到360万个大气压。这样大的压力,人们在地球表面是很难想象的。科学家作过一次试验,在每平方厘米承受1770吨压力的情况下,最坚硬的金刚石会变得像黄油那样柔软。地核内部不仅压力大,而且温度也很高,估计可高达摄氏2000~5000度。

小行星撞击——潜伏在地球身边的危险

日食、月食、彗星、流星雨等天文现象均属正常现象,不会对人类构成危害,但天外的小天体撞击地球却是人类应该防范的潜在威胁。

地球在磕磕碰碰中形成

据天文学家介绍,太阳系中的任何星球都有遭遇小天体撞击的可能,人类赖以生存的地球就是在无数次的磕磕碰碰中形成的。美国科幻影片《天地大碰撞》、《彗星撞地球》便描述了小行星撞击地球的景象。

小行星是相较于八大行星小得多的行星,它们通常由石头、金属等物质构成,主要分布在火星与木星之间的小行星带,也有一些是不按规则的轨道运行的“流浪儿”。据估计,小行星总数约为50多万颗,已记录在案的有6200多颗。一般的小行星直径在几米到几十米之间。

有人形容地球围绕太阳运动就像是在宇宙的射击场中前进。如果有一个直径1千米大小的彗星或小行星高速向我们地球飞来,它穿越地球大气层如同我们用拳头穿过蜘蛛网般容易。而假如撞击地球的小天体直径超过15千米,也许将毁灭地球上的大部分生命。

喜欢“突击”的小行星

面对小天体可能对地球生命构成的潜在威胁,我们人类该如何防范呢?其实,并不是所有的小行星都会对地球构成威胁,只有那些与地球轨道比较接近的近地小行星才应当引起我们的密切关注。一般认为,近地小行星大约有2000多颗,目前已经发现的有700多颗。在这700颗小行星中,对地球有潜在威胁的极近地小行星有4颗。但这并不表明大家可以高枕无忧,因为谁也不敢确定太空中还有没有至今未被人类发现的极近地小行星。根据计算,这4颗小行星中的一两颗极有可能从月球和地球之间通过。对于地球来说,这应该是一个非常危险的距离。

据英国《独立报》报道,英美天文学家宣布,伦敦时间2029年4月13日晚上10点,一个相当于3个足球场大小的小行星——“2004MN4”,将在地球和月球之间飞过,与地球近距离接触,但不会相撞,其飞行轨道甚至低于许多电视通信卫星。这将是有天文记录以来,小行星首次如此近距离地与地球接触。

1300年的相撞概率

美国国家航空航天局喷气推进实验室(加利福尼亚州)博士史蒂夫·切斯利表示,与其他曾经近距离飞过地球的星体不同,小行星2004MN4将在17年后非常近距离地飞过地球的轨道是提前计算出来的,是预测出来的,此前的星体则是在近距离接近地球时才被发现的。这种规模的小行星,平均每1300年才会如此近距离地接近地球一次。

与其他飞行轨道大多集中在火星和木星轨道间的小行星不同,2004MN4小行星虽然也围绕太阳旋转,但其轨道基本在地球轨道之内,将来还是有可能与地球相撞。不过,在21世纪之内没有相撞的风险。在过去,巨大的星体经常与地球相撞,一些严重的相撞曾引起整个地球范围内的巨大灾难,相撞产生的大量灰尘和残骸进入大气层,引起灾难性的环境变化。

据科学家推测,6500万年前,地球上恐龙等生物的突然灭绝,也许正是一颗直径达10余千米的小天体高速撞击地球,发生大爆炸的结果。国外有关专家经多年的研究认为,我国的四川盆地其实就是在数千万年前,由一颗直径约10千米的小天体由东南向西北方向高速撞击而形成的。位于美国亚利桑那州有一个巨大的陨石坑,直径达300多米;在南非的荒野中,人们曾发现了直径达200多千米的“天坑”;大西洋海底也发现有类似的撞击坑。

目前,人类在地面上已发现的大陨石坑有130多个。这正是千万年来小天体撞击地球留下的印迹。地球自诞生以来,估计已遭受了无数次天外不速之客的撞击与洗礼。科学家们研究认为,在过去的5亿年里,地球上至少有过4次生命大灭绝的时期,它们很可能就是由于小天体撞击的结果。当然,从另一个角度讲,宇宙中这种大碰撞也许又支配着地球上生物的进化进程。

地球会爆炸吗

爆竹和炸弹的爆炸,是由于瞬间产生的巨大的能量而急剧地向四周扩散。根据地球的结构,其内部是由铁、镍形成的核心,显然不会在瞬间产生巨大的能量;即使如新近出现的假说,地核是一个铀裂变反应堆,但由于其质量很小,四周还有熔融的厚地幔包裹着,瞬时产生的能量也不足以使地球爆炸。总之,地球内部的能量,可以通过地热散发、火山喷发、板块运动和地震等形式爆发出来,而不会发生爆竹和炸弹那样的爆炸。

地球也不会发生像晚年恒星那样的新星和超新星爆发。地球是一颗行星,其结构组成和动力学原理与恒星完全不同,它的质量更无法与恒星相比,地球的质量只有太阳质量的几十万分之一。类似太阳质量大小的恒星晚年会发生新星爆发,6倍太阳质量以上的恒星,晚年才会发生超新星爆发,地球完全不符合新星和超新星爆发的条件。

前不久,天文学家发现了一颗迄今为止跟地球最为“相似”的行星。科学家认为其地表存在液态水的可能性很大,而液态水对于生命的生存十分关键,因此这颗星球上很有可能存在生命。这颗让人“又惊又喜”的新星被人们戏称为地球的“孪生兄弟”。但思维严谨的科学家们却只是枯燥地用一串字符和数字“HD85512b”来称呼它。这颗行星的轨道几乎是正圆的,这将给它的表面带来持久稳定的气候。并且恒星HD85512b的年龄要比太阳大一些,也就意味着它的活动更少,这就减小了发生大规模电磁风暴,摧毁整个行星表面大气层这种灾难发生的可能性。

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