奇妙的地球(下)

◆ 黄学成


五、地球自身对生命环境的贡献

    下面,我们来看一看地球本身,它有什么独特的地方,它的化学、物理参数如何与地球的地质、地理条件相结合,创造出一个适合生命居住的环境。

    地球上的化学物质 生命需要水,水对生命的重要性是不言而喻的。水是人体内含量最多的成份,体液占人体重70%左右,是维持正常生理功能所必需。只要失去15%的水份,生命就有危险。所幸的是,地球上有足够的水,地球表面三分之二的地方被海水覆盖。地球又有一套特别的水循环系统将海水转化为淡水,供人类和其它生命使用。海洋中的水受热蒸发,上升到高空,凝结为云,季风将云吹到陆地上空,作为雨、霜和雪降落到地面。水还有一个重要特性,就是“反膨胀”。地球上的化学物质,绝大部分都是热胀冷缩,即温度越低,密度越大。但水却在零上4°C时密度最大(1 g/cm3),温度低于4°C,反而膨胀。所以,固体冰的密度(0.9168 g/cm3)低于液体水,在冬天,冰总是浮在水面上。如果水也是越冷密度越大,一结冰就沉到水底,那么,在冬天,江、河、湖、海都将从下到上被冻得结结实实,没有任何水生生物能继续生活在水里。相反,由于水的反膨胀性质,冬天的水面被冰所覆盖,起到一层保温层的作用,阻止了冰层下的水继续结冰,从而也保护了水下生命不受严寒的伤害。

    与水具有同样重要性的另一种化学元素是碳。碳原子与碳原子连接,能形成很长的复杂的大分子。携带生命信息的结构分子,如DNA、蛋白质,其骨架就是碳原子组成的。地球上,没有任何其它一种元素具有碳这种形成大分子量生物高分子的能力。在宇宙形成初期,三个氦原子通过核子反应合成一个碳原子。碳原子内部有很重要的共震,能促进此种核子反应的发生。所以宇宙中有足够的碳原子,供形成生命物质所需。

    除了水和碳外,生命也需要许多其它元素,如氮元素、钙元素等。一个细菌需要大约16种基本元素,而人体需要26种基本元素。中间生命形态所需元素数目在这二个数字之间。需要指出的是,不是任何行星都像地球这样,有这些生命化学所需的元素种类和数量。

   地球还具有多种精确微妙的内在的循环,如碳循环、氧循环、氮循环、磷循环,硫循环、钙循环、钠循环等等,来保证生命所需的化学物质的循环使用,使生命能持续下去。例如,动物体内的新陈代谢活动吸收大气中的氧气,呼出二氧化碳;植物的光合作用把水和二氧化碳转化为糖份等有机物,并释放氧气。

    人类生活和科技的发展离不开各种金属和非金属材料,它们来自于各种矿藏的开采。“幸运”的是,各种有价值的矿藏就储存在地表下不远的地层里,它们能有效地被开采,供我们所需。加利福尼亚大学伯克莱分校的地质学家George Brimhall说到:“矿藏的产生和它们被安置在接近地表的地方,远不是简单的地质机会所能解释的。只有一系列精确的物理和化学事件,在正确的环境和次序下发生,并有特定的气候条件,高浓度矿藏才能形成。”

    地球与太阳的距离 生命的存在需要液体水和水循环,这是上一节讲过的。这与地球表面的温度有关,而地球表面温度是由地表所吸收到的太阳光的数量及一系列因素所决定的。如果地球离太阳距离比现在更近,那么将有更多的太阳光到达地球,地球温度升高,更多的液态水蒸发到大气层里,导致长期的温室效应,最后整个海洋都蒸发掉。这正是曾经发生在金星上的事。如果地球与太阳距离比现在更远,则地表温度太低,水和二氧化碳都结冰,你将得到长期的冰河期。除非大气层中二氧化碳浓度提高,以留住太阳光辐射,使地表温度上升。但这样一来,大气层中将没有足够的氧气供动物呼吸用。实际上,如果地球离太阳的距离比现在稍远5%,都将是一场灾难,地球上的动物将不可能生存。

    地球的自转和公转 地球以近圆形的椭圆轨道绕太阳公转,其轨道的偏心率为0.0167。如果地球公转轨道更椭圆一点,即偏心率再大一点,那么地球上各季节间的温度变化太剧烈。地球公转轨道平面与太阳赤道平面有一个微小的倾斜(7度),如果这一倾斜度稍大一点,那么,地球表面温度变化将比现在剧烈得多,气候将变得非常不稳定。地球的自转轴与公转轨道平面有一倾斜角(66°33')。如果这一倾斜角再大一点或再小一点,地球表面温度差都太大。地球自转周期约为23时56分4秒。如果自转周期再长一点,那地球日夜温差就太大;如果自转周期稍短一点,地球的自转速度就要加快,这将导致大气层风速太大。

    地球大气层 地球大气层对地球上的生命提供了重要的保护作用。首先,它和地球磁场阻挡着来自外太空的足以杀伤生命的有害辐射——紫外线、X射线、高能粒子等;其次,它阻挡了来自外太空的流星对地球的直接撞击,许多陨石在它们到达地面前,便已因与大气层的摩擦生热而被烧毁了。大气层也以水蒸气的分压,确保了地面上的游离水不被蒸发干净。此外,大气层是生命物质交换的场所。在这里,植物吸收二氧化碳,释放氧气;动物吸收氧气,呼出二氧化碳,完成生命所需要的气体物质循环。

    大气层有恰到好处的化学组成(78%的氮气,21%的氧气,余下的1%是二氧化碳和水蒸气等其他成份)。大脑活动活跃的人类需要富含氧气的大气层。大气层中氧含量如果比现在高,植物和烃太容易被消耗掉;如果比现在低,高级动物没法呼吸。二氧化碳和水蒸气又称作温室气体。它们吸收红外线能量,帮助温暖地球。大气层中二氧化碳含量如果稍高,将出现漫长的温室效应,导致地表温度升高,海洋被蒸发;如果稍低,地球将不能维持有效的绿色植物的光合作用。大气层中水蒸气含量如果稍高,将出现漫长的温室效应;如果稍低,地球表面降雨量不足。地球高空有20~60公里的臭氧层,它挡住了对生命危害很大的太阳紫外线。如果大气层中臭氧层比现在薄,那么在地球表面将有太多的紫外线辐射,而且地表温度将因过多的太阳光透过而升高;但如果臭氧层厚度再大一点,它将挡住一部分的太阳光照到地面,导致地球表面温度太低。

    金星上也有大气层。金星的大气中二氧化碳占96%,氧气仅占0.4%,还有一层20~30公里厚由二氧化硫组成的浓云。因而,金星大气压是地球大气压的90倍,极高的二氧化碳含量造成温室效应,阳光透过大气将金星表面烤热,而地表的热量无法散发到外层空间去。这使得金星比水星还要热,地表的温度高达480℃左右。所以,尽管金星和地球在大小、质量、密度和重量上非常相似,而且金星和地球几乎都由同一星云同时形成,但金星上不能形成海洋,也不适合生命居住。

    地球磁场 地球的高速自转与核心流动的铁镍物质形成电流回路,如同一个巨大的天然发电机把机械能转换成磁能,于是产生了大地的磁场。疏而不漏的磁力线对地球起着屏蔽作用,把许多有害射线束缚在“范艾伦带”,使它们不能到达地面。南北极地区美丽的极光,便是来自太阳耀斑的带电粒子被地磁场偏转,轰击高空大气所点亮的最壮观的霓虹灯。如果没有地球磁场,许多有害的辐射会进入大气层。而且,太阳风粒子会直接和大气层上层接触,损害大气层,特别是刮走由水裂解来的氢分子和氧分子,这将导致水更快地失去。地球磁场如果比现在更强,电磁风暴将太剧烈;如果更弱,将不能提供足够的保护。

    地球的大小和质量 地球引力如同一条无形的锁链,把我们牢牢栓在地面上。火箭的速度只有达到每秒11.18公里才能挣脱地球引力。这便是地球上的逃逸速度。地球需要有一个最小的质量,以便有足够的引力保持住大气层。事实上,如果气体分子的运动速度大于逃逸速度,我们的行星将无力吸引住它们而只能任其跑个精光。气体分子的平均速度是和它们的绝对温度成正比,和分子量的平方根成反比的。今天,我们地球的引力和温度,能够绰绰有余地抓住氧和氮的分子。如果地球质量比现在小一些,那么我们的空气将变得不胜稀薄,甚至不复存在。而且,地球也需要一个最小的体积,以使其内部热量不至于散发太快。地球内部的热量来自放射性衰变,为地球内部的地幔对流运动提供动力。如果地球再小一点,如水星般大(水星的半径约为地球的一半),它将很快冷却下来。实际上,水星很冷,基本上没有地壳运动。白天受太阳光直照,水星表面温度达427°C,而到晚上又骤降至-173°C。

    如果地球质量大一些,会怎么样呢?首先,地球高空的氢和氦将被更大的地球引力拉到地表,生成大量的甲烷,这将使我们的空气变得完全无法呼吸。其次,高山底部的岩石将承受不了高山的重量而断裂。星球质量越大,表面重力越大,重力对高山的引力就越大,这将导致高山和海洋的落差变小,最后的趋势是创造一个平坦的球面。如果地球表面是平坦的球面,将发生什么呢?地壳里含有大量的水。我们之所以没有成为一个水世界的唯一原因是,我们在海平面上有陆地和高山。如果你把地球表面铲平,地球表面的水,将有二公里深。你将有一个水世界,而水世界是一个死的世界。地球上有生命,因为我们有太阳光照耀海洋表面,海洋表面有矿物质营养物。潮汐和风雨把陆地上的营养物冲刷到海洋里,喂养海里的生物。在一个水世界里,许多生命所必需的矿物质,都沉到海底。这是最基本的问题。此外,水世界的盐浓度也太高,而生物只能忍受一定程度的盐含量。现在的地球,因海岸边有大片的滩涂和湿地,这些地方水很浅,潮汐把海水带到这里后,水很快蒸发掉,流下盐份。所以,有大量的盐矿堆积在海岸边,使海水里的盐含量不至于失控。但在水世界中,过量的盐份最终使海水饱和,并沉到海底,这将创造一个对生命很不利的超饱和盐溶液。

    地球的板块运动 地球的岩石圈分解为若干巨大的刚性板块或岩石圈板块,如欧亚板块、太平洋板块、印度—澳大利亚板块、南极洲板块、美洲板块和非洲板块。它们重力均衡地位于塑性软流圈(地幔)之上,并在地球表面发生大规模水平转动:相邻板块之间或相互离散,或相互汇聚,或相互平移,引起地震、火山和板块构造运动。板块构造的一个关键副产品是山脉的形成,通常是由长期的板块碰撞和重叠所造成。板块构造的重要性无论怎么说都不过分。Ward 和Brownlee在 《得天独厚的地球(Rare Earth)》一书中说:“一个星球能否适合生命存在,板块构造是最重要条件之一。”他们还指出:“在我们的太阳系所有的行星和卫星中,只有地球才有板块构造。实际上,任何天体若要有板块构造,水是先决条件。水润滑和促进了板块运动。”

    板块构造不仅导致大陆和高山的形成(这防止了水世界的出现),它也促使了地球的二氧化碳-岩石循环。这在调节环境上是非常重要的,因为这一循环通过平衡温室气体——二氧化碳,保持地球的温度在可居住水平上。板块构造使部分地壳层,包括石灰岩(主要由碳酸钙组成,受热分解为二氧化碳和氧化钙)循环到地幔中。地球内部的热量把二氧化碳释放出来。这些二氧化碳连续不断地通过火山爆发而进入大气层中。这是个相当复杂的过程,但最终结果是出现某种类似温度自动调节器的东西,保持温室气体处在平衡中,从而使地表温度在一定范围内。

    板块构造的动力来自地球内部放射性同位素(铂-40,铀-235,铀-238和钍-232)的裂变。这些元素是在超新星爆炸过程中合成的。既然宇宙中超新星爆炸越来越少,产生更多这类元素的机会也就越来越少。所以,在未来形成地球这样的行星的可能性也越来越少,因为新形成的行星不能产生像地球内部这般多的热能。地球内部的放射性衰变也帮助驱动围绕固体地核的那层液态铁的对流,相当于形成了一台地球发电机。正是地球发电机产生了地球磁场。

    地球反照率 地球反照率是另一个自然的地球温度自动调节器。地球反照率指地球反射掉的太阳光比率。地球有一些特别的反射太阳光的“设施”——海洋,极地冰帽,大陆内地(包括沙漠)。没有被反射掉的太阳光就被地球吸收,它们将加热地球表面。通过地球的一个天然反馈机制,地球反照率发挥调节气候的作用。例如,某些海藻产生一种化学物质——二甲基硫(Dimethyl Sulfide, DMS)。二甲基硫是海洋表层水面最丰富的挥发性硫化物,它排放到大气中后迅速被氧化,其主要氧化产物非海盐硫酸盐气溶胶对当地的雨水酸性有一定影响。此外,这类硫酸盐气溶胶的生成增加了云凝结核(Cloud Condensation Nuclei, CCN)的数量,直接影响了全球的云量分布、太阳辐射,起到了对气候的调节作用。如果海洋变得太暖,这种海藻繁殖加快,释放更多的二甲基硫,导致更多的云凝结核数量,由此形成的海洋云层将提高地球反照率。当地球反照率升高后,大气层吸收的太阳光减少,海洋温度下降。其结果是降低海藻繁殖速率,释放较少的二甲基硫,导致地球反照率下降,海洋温度升高。如此循环,形成天然的地球温度调节器。

    火星没有海洋,所以它没有这种地球温度调节元件。它仅有沙漠,少量的冰帽和非常薄的偶尔才有的云层。所以,火星远不能调节它的表面温度。这是它经历比地球大得多的温差的原因。

    总而言之,地球的存在,决不是个偶然事件,所有参数都被安排得恰到好处,以使地球适合生命居住。银河系有正确的结构和形状;太阳有正确的位置、轨道、质量、光度、颜色;月亮有正确的大小和离地距离;地球有正确的的位置、大小、化学组成、结构、公转轨道、自转速度和倾斜度、大气层、磁场、温度、板块构造、内部动力学、物质循环、水文地质系统等。任何一个参数稍有偏差,对地球上的生命都是一场灾难。从这些看似巧合的种种精心安排后面,我们不仅看到了有目的的设计和创造,也体会到这位设计者对人类生命无微不至的关怀和爱。(全文完)

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    参考资料:

    1.Ross, Hugh, “Astronomical Evidences for the God of the Bible”, www.reasons.org.

    2.Strobel, Lee, The Case For A Creator, (Zondervan, Grand Rapids, Michigan, 2004).

    3.Ward, Peter and Donald Brownlee, Rear Eath, (Copernicus, New York, 2000).

    4.里程,《游子吟》。