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歷史上真的有冰雪地球嗎?

 

文/賈斌 來源:北京日報 2019年03月06日  子夜星網站整理編輯


  近日熱播的電影《流浪地球》中,地表的畫面都是冰天雪地,就連海洋都變成了坦途,運送火石的車輛暢行無阻。為什么電影里面會有這種設定?地球上曾出現過這種場景嗎?

  1. 太陽系中有很多“雪球”

  在電影《流浪地球》中,地球在行星發動機的推動下逐漸遠離了太陽,向著木星飛去,企圖借助木星的引力加速,助地球更快地飛向新家園。電影中地球冰天雪地的場景,完全不是我們熟悉的模樣。其實,這樣的星球在太陽系中才是最為普遍的,我們現在的地球反而是個異類。

  太陽占太陽系總質量的99.86%,也是太陽系最大的產熱器,離太陽越近,溫度越高。如離太陽最近的水星,其地表平均溫度可達427℃。而在遠離太陽的地方,則溫度很低,連氮氣都會變成固體(零下209℃以下)。

  地球在太陽系中非常特殊,比如有大氣,有水,是一個巖質星球(主要成分是固態的巖石)。但是,這些都不是只有地球才有的特征,金星也有濃密的大氣,水在太陽系更是到處都是,水星、火星同樣是巖質星球。地球最特殊的地方在于它的位置,距離太陽不近不遠,很適中,恰好位于生命的宜居帶。在宜居帶內,溫度適中,有著濃密大氣的地球可以存在大量的地表液態水,為生命的孕育提供了良好的場所。但是這個宜居帶非常窄,據科學家估計,其內外邊界大約距離太陽0.9和1.5個天文單位(一個天文單位是地球和太陽的距離),最外靠近火星的軌道。一旦出了這個范圍,地球上的液態水要么會蒸發,要么會凝固成冰,不再適合復雜生物的生存。在《流浪地球》中,當地球接近木星的時候,距離太陽已經5.2個天文單位了,所以地表的液態水將會完全凝固成冰,地球也將成為一個“雪球”。

  如果我們隨著流浪的地球往太陽系外面飛,就會發現越來越多的冰雪世界。比如天王星和海王星,就被稱為冰巨星,因為在它們的大氣層下面有大量的水冰。同樣,2006年被踢出行星之列的冥王星,表面也可能是一層厚厚的冰。飛過冥王星,地球就進入了黑暗的世界。這里離太陽非常遙遠,已經完全感受不到它的光輝了,被稱為柯伊伯帶,冥王星降級后就被歸為柯伊伯帶天體。這里的天體幾乎都是冰封的世界了,如與冥王星相似大小的鬩神星、鳥神星等,除了水冰之外,還有甲烷冰,甚至氮冰。一些短周期彗星(如著名的哈雷彗星)就發源于此。冰也是彗星的主要成分之一。

  2. 歷史上地球確實多次變成“雪球”

  當然,電影中的“雪球”是編劇們的想象,但在實際的地球歷史上,地球確實多次變成雪球。

  地球上的氣候變化主要受到太陽光照和地球大氣的控制。一般而言,光照越強,溫度越高。而大氣的作用,則是讓地球維持較為穩定的溫度。大氣中的云霧等,在受到太陽照射的時候,能夠反射太陽光,給地球降溫。而在太陽落山以后,大氣中的二氧化碳、水汽等溫室氣體,能夠防止地球散熱太快,給地球保溫。如果沒有大氣,地球就會像月球一樣,太陽照射到的時候,氣溫可以升到一百多攝氏度,而夜晚就降到將近零下二百攝氏度。地球歷史上的雪球事件,也主要是受到了太陽光照和大氣成分的影響。

  大約在30億年前,幼年太陽的光照比現在要弱大約20%至30%,地球接收的太陽能量也要少很多;但地球大氣的成分和現在也很不一樣,可能主要是甲烷、二氧化碳和水蒸氣等溫室氣體,尤其是甲烷,其溫室效應比二氧化碳高出20多倍。所以,雖然那時候太陽光照弱,但由于大量溫室氣體的存在,地球表面的溫度可能比現在還要高一些,足以保證液態水的存在,讓早期生命得以形成和發展。但是,隨著生命的演化,出現了光合作用,氧氣作為代謝物被排放到大氣中。氧氣的出現,使得大氣中的溫室氣體含量下降了(主要是甲烷的氧化),地表溫度降低,就會出現雪球事件。地球上第一次雪球事件可能發生在29億年前的時候,但這次雪球事件的證據不多,是否真實發生過還有很大疑問。第二次可能是在距今21億至24億年間。這之前,發生了一次更大規模的大氣充氧事件,大氣中的甲烷幾乎被消耗殆盡,并最終使大氣中的氧氣含量達到現今水平的1%至2%。據科學家估計,當時地球冰封長達3億年之久,且造成了一次生物大滅絕。

  而第三次,也是最著名的一次雪球事件,發生在距今6億至7.5億年間,其起因是大氣中二氧化碳含量的降低。在此之前,地球上的陸地經過長期的漂移,連成了一片,組成了一個超大陸。在超大陸的內部,大洋水汽很難達到,常年干旱,就像現在亞歐大陸的中部,如蒙古、中亞地區。但不久超大陸就發生了裂解,海洋入侵,內陸地區降水增多,風化作用增強。巖石的風化大量消耗了空氣中的二氧化碳,以碳酸鹽的形式被固定到地層中,不能再參與調節氣溫。

  而在這個時候,太陽光照仍然比現在要弱6%,溫室氣體含量的降低必然導致了溫度的降低,冰雪逐漸從兩極向赤道擴散,最終覆蓋全球。

  3.危機也意味著新生

  地球變成了雪球,雪上加霜的是,白色的冰雪能夠更有效地反射太陽光,使得地球吸收的能量更少,進一步加劇了嚴寒。那個時候,地球的平均溫度可能只有零下50℃,赤道地區也僅有零下20℃,全球就是一個大號的南極。隨著冰層厚度的增加,冰川也開始流動,移山填谷,威力巨大。

  嚴峻的氣候必然給生命帶來巨大的損害,生物圈幾乎被完全破壞,生命只能在某些黑暗的角落里茍延殘喘。在巨厚的冰層下面,溫度可能并不那么低,尤其是在某些火山附近,會不間斷地向外噴發熱液,就像現代海洋中的“黑煙囪”。在這些熱液溫泉附近,會有液態水的存在,噴發出的礦物質、硫化物等也足以支撐一個小型的生物圈。這種現象在現代大洋的深處仍舊普遍存在。可能就是靠著這點能量,生命熬過了寒冬。但近年來的幾個新發現可能為我們深刻認識極端環境下的生命提供了新思路。2015年,美國在南極的冰下湖泊或冰架上打了幾個鉆,在800米的冰蓋下的極端貧瘠的湖泊或海水中發現了種類繁多的細菌,甚至有魚、蝦等復雜生物。現在科學家還不清楚它們是靠什么生活,但更加深入的研究將會對我們解釋生命如何度過嚴酷的大冰期提供參考。不管怎么樣,生命在寒冰之下某些相對溫暖的角落里頑強地延續著,為未來的生物演化提供了無限可能。

  另一方面,冰雪到來前,地球上幾乎是藍藻和細菌的天下,其他類型的生物鮮有發展的機會。嚴寒幾乎完全破壞了這一切,造成了大量生態位的空出,為真核生物的發展提供了空間。

  在雪球事件的后期,伴隨著強烈的地質運動,火山大量活動,噴出了大量的二氧化碳等溫室氣體。當這些溫室氣體達到一定濃度后,氣溫慢慢回升,冰雪融化,大約在幾千年內就消失殆盡了。冰雪融化形成的洪水,把大量的陸上礦物質帶入海洋,為生物的繁盛提供了充足的營養保證。

  冰雪過后,新舊交替,萬物更新,新的生命形式大爆發、大輻射,逐步演化成了今天的樣子。


  ·延伸閱讀·

  為什么木星有那么多氫氣?

  木星大氣的主要成分是氫氣。在電影《流浪地球》中,地球即將撞上木星前,大氣被木星的重力吸過去,氧氣與氫氣混合到一塊。因此,主人公才想到點燃木星,利用爆炸的沖擊波把地球推出去,防止地、木相撞。那么地球的大氣為什么和木星的大氣有如此大的差異?這個要從太陽系的成分和行星的形成說起。

  其實在整個宇宙中,氫是最常見的元素,現今太陽中也有大約75%是氫。據此可以推測,在太陽系形成的時候,主要成分也應該是氫元素。隨著太陽的形成,太陽系絕大部分物質都集中到了太陽,而在太陽外,元素發生了分層。靠近太陽的地方,溫度很高,只留下了重元素,比如硅、鐵、氧和硫等元素,氫很少,這些元素聚集在一起,就形成了水星、金星、地球和火星這些巖質行星,且僅有金星和地球的質量足夠維持濃密的大氣,但質量又不特別大,氫氣可能已經逸散掉了。在遠離太陽的地方,溫度降低,重元素的比例也逐漸降低,行星的大氣成分就以氫為主了,還有一些氦,如木星、土星、天王星和海王星等。而在柯伊伯帶,星體中的重元素已經很少,大多以水冰、甲烷等為主。要說明的是,地球上原生的大氣也是甲烷、二氧化碳等居多,現在的大氣是經過地球生物多年改造的結果。

  (作者/賈斌 原載《北京日報》)
 
 
 

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