奇妙的地球 (上)

 黄学成

    地球,我们人类共同的家园。这颗从外太空看去发出梦幻般的蔚蓝色的星球,以其独一无二的环境养育了我们人类和其他各种形式的生命。我们春种秋收、采矿挖煤,从地球资源中获取我们生存所需的一切;我们远足旅行,观赏高山平原、大海峡谷所带给我们的奇妙景观。同时,我们也习惯了寒来暑往,花开花落,风霜雪雨,潮起潮落,把这一切都归之于自然,归之于理所当然,而从没有思想过,在这一切的背后隐涵着什么意义。实际上,最新的物理学、天文学、地质学、地理学、气象学等领域的研究结果表明,许多种因素,包括银河系的类型、形状;太阳的大小、颜色、光度、轨道、在银河系中的位置;地球的大小、组成、结构、大气层、温度、与太阳的距离、轨道的形状和倾斜度、自转轴的倾斜度、内部动力学、以及许多内在的物质循环;还有月球的大小、距离、地月系统等等,一整套因素一起作用,使地球成为一个适合生命居住的星球。正如科学教育者Jimmy H.Davis 和 Harry L.Poe所说,“数据表明,地球是‘在正确时间正确地点’出现的唯一(适合生命生存的)行星”。加拿大天文学家罗斯(Hugh Ross)在《支持圣经中神的天文学事实》一文中列举了29种因素,每一个因素都必须小心控制在一定的范围之内,稍有偏差,生命在地球上的存在便不可能。

一、银河系的结构和形状对地球环境的影响

  
 在我们的宇宙中,基本上有三类星系。第一,漩涡状星系,如我们的银河系。第二,椭圆状星系,具有类似鸡蛋状形状。第三,无规则状星系,它的形状显得无组织和扭曲。各星系都有不同程度的新星诞生:星际气体凝聚形恒星、星团,第一代星球作为超新星爆炸形成第二代恒星。有着活跃的新星诞生的地方是非常危险的,因为在那里,超新星高速爆炸。此外,宇宙中还有许多其它因素威胁到生命的存在,如黑洞,高能射线(伽玛射线,X光射线,粒子辐射)等。黑洞具有巨大的引力,经过它周围的光线都不能逃开。我们对伽玛射线爆发知道得越多,越发现,它们比超新星威胁更大。

    宇宙中,大部分星系是椭圆状星系。在椭圆状星系中的恒星周围,不可能有像地球这般适合生命存在的行星。原因有二,首先,椭圆状星系有蛋状的形状,其中的恒星有非常无规的轨道,像蜜蜂拥挤进出蜂巢。这意味着,恒星会经过星系中的每一个区域,即它们偶尔会经过恒星密度高的星系内部地带,而这些地方,温度太高,对生命太危险。在星系中心地带,黑洞的活动也很活跃。其次,在椭圆状星系,很难形成地球这样有着坚硬外壳的行星,因为缺乏形成此种行星所需要的重元素。

    无规则状星系也不能提供生命所需要的安全区域。事实上,它们更糟。它们是扭曲的,撕裂的,布满超新星,超新星爆炸随处可见,生命不可能在这种环境下生存。

    最有可能适合生命居住的星球只能在漩涡状星系内,因为它提供生命所需的安全区域。地球所在的银河系就是一个能提供安全区域的漩涡状星系。银河系的形状也有很大作用。银河系像个扁平的中间突起的圆盘。如果银河系稍微椭圆一点,那么,在有足够多的生命化学所需重元素被累积前,恒星形成过程停止。但如果稍不规则一点,间或出现的高能辐射太强,危害生命;而且,恒星及周围行星上没有生命化学所需的重元素。

二、太阳对地球环境的影响

  
 太阳在银河系的位置 银河系的银盘主要由四条巨大的旋臂组成,旋臂上有活跃的新星形成活动,即超新星爆炸,这对生命是很危险的。旋臂上也有危险的巨型分子云。所幸,我们的太阳系恰好在安全的人马星座臂和英仙星座臂之间,不在离超新星爆炸很近的旋臂上,离超新星爆炸也不是很远。由于重元素是在超新星爆炸中合成的,所以,如果离超新星爆炸太远,太阳系将没有足够的重元素用于形成像地球这般有岩石外壳的行星。旋臂上的超新星爆炸不像银心中的超新星爆炸那么频繁,如果太频繁,地球上的生命当然难以幸免;但如果太不频繁,太阳系同样没有足够的重元素。银心除了有频繁的超新星爆炸和太高的恒星密度外,还有巨大的黑洞。实际上,哈勃太空望远镜已经发现,几乎在我们附近的每一个星系,其中心都有巨大的黑洞。黑洞的危险是不言自明的,经过它附近的任何东西(包括光)都被它吞噬,释放出大量的高能物质。太阳系离银心二万八千光年,在银盘外侧约三分之一处。它远离银河系中心,却又不在银盘边缘。在银盘边缘,新星诞生过程要缓慢得多,因而重元素的丰度不够高,形成地球这样的行星的可能性也很小。所以,我们的地球不在银心、不在星团中,不在旋臂上,也不在银盘边缘,它既在安全区域,又有足够的重元素丰度。

    太阳的质量、光度和颜色 目前的太阳是颗黄矮星。宇宙中,百分之八十的恒星是红矮星,另外的百分之八至九是 G矮星。全部的红矮星和大部分的G矮星质量都比太阳小。这些质量较太阳小的红矮星,其行星有没有可能适合生命的存在呢?美国衣阿华州立大学的天文学教授冈察雷斯(Guillermo Gonzalez)指出:不能。有几个原因:首先,红矮星的光偏向光谱中的红光部分。红光的光合作用效率不够。光合作用需要兰光和红光。但更大的问题是,随着恒星质量的减少,其光度也下降。行星只有更靠近它公转,才能使其表面的水保持液态。问题是,随着恒星和行星靠近,它们间的潮汐力变大,这将导致行星自转减慢,最后停止在所谓的潮汐锁定状态(Tidally Locked State)。其结果很糟糕,因为它将导致行星表面对光面与背光面之间的温差很大。对光面极端干燥和酷热,而背光面极端寒冷和冰冻。红矮星的行星不适合生命存在的另一个原因是,红矮星有耀斑。虽然太阳也有耀斑,但红矮星的耀斑有着和太阳耀斑一样的亮度。要知道,红矮星所发出的总亮度比太阳暗五十倍以上。所以,与红矮星亮度相比,其耀斑就显得太过于明亮。所以,天文学家称它们是“闪烁的恒星”,因为它们一下子变得很亮,然后又暗淡下去。我们不大注意太阳耀斑,因为太阳太过于明亮,其耀斑看来只是些小亮点。并且,我们地球距太阳有九千三百万英里。而对红矮星而言,它的行星必须很靠近它,以使表面的水呈液态。所以,红矮星亮度的增加将导致轨道行星表面温度急剧上升。耀斑所带来的粒子辐射也急剧增加。在地球上,太阳耀斑只是给我们带来北极光。当太阳发生耀斑时,其粒子辐射物最终到达地球,在地球磁场作用下,偏转到南北极,形成我们在北极上看到的美丽的北极光。然而,这些粒子辐射也有破坏大气层的作用,从而增加星球表面的有害辐射量。但更重要的是,它们毁坏臭氧层,而臭氧层是让我们免受辐射影响的保护层。所有这一切,对很靠近红矮星的行星上的生命是致命的。红矮星还有一个问题。它不发出紫外光。而在早期大气层里合成氧气需要紫外光。科学家相信,地球大气层里的氧气来自于紫外辐射,它把水分子裂解成氢气和氧气。氧气在地球大气层积聚起来,而氢气因更轻逃逸到太空。

    如果是一颗质量比太阳大的恒星,那情况又怎么样呢?事实上,如果地球环绕一个质量更大的恒星(如F矮星)公转,那将有更多的兰光辐射,地球大气层中氧气和臭氧层集聚速度更快。然而,一旦臭氧层遭到破坏,地球将马上暴露在洪水般的高强紫外辐射之下,这对生命是场灾难。而且,质量更大的恒星寿命较短。比太阳质量稍大一点点的恒星,寿命只有几十亿年。太阳成年寿命(氢气稳定燃烧期)预期是一百万亿年以上。而质量高一成的恒星,其成年寿命将大大缩短。并且在成年期,这些恒星的亮度也变化很快。在它们的生命中,每一件事情都进展得更快。所以,太阳不仅有正确的质量,它也有正确的亮度和颜色——红光和兰光的平衡。

    太阳的轨道 太阳附近的银盘厚度约三千光年,只有银河系银盘中间厚度的一半。较薄的银盘有助于太阳呆在所希望的圆形轨道上。实际上,与同年龄的银河系其它恒星相比,太阳轨道更接近圆形,这有利于使地球远离危险的旋臂。如果太阳轨道稍微椭圆一点,太阳会穿越旋臂,并深入到危险的银河系内部地区,这将使地球暴露在前面提到过各种危险(如超新星爆炸)中。(未完待续)