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如果有机會乘坐時間机器“作一次旅行，去對遠古時代地球上自然發生的各种變化進行測年和測量，我想，大概沒有一位活著的地球科學家會不馬上抓住這一机會的。地球科學家可以超越數千年時間，觀察地球表面大陸的漂移，這种移動不僅改變了大陸的位置及大气成分，而且使它們攜帶的生命也發生了變化。地球科學家還可以監視影響生命進化的空气、陸地和水的變化。只要适當注意，他們還能檢測到生命反過來是如何改變了空气、陸地和水的性質的。有机物与無机物是互相聯系的，具体表現在地球化學与生物學、地質學与气候學的關系上。在時間机器中，一切都在運動著，在不停地變化著，就如一張由生命和無生命單元的動態結合所构成的巨大、錯綜复雜并且變化著的网。如果沒有非凡的想象力，一般的觀察者是不會輕易理解這一圖案的，除非他或她是一种怀著對地球的好奇的群体的一員，這一群体的人們使用一些精致的方法，來揭示遠古以來曾出現過的大量的各种圖案。這一群体以及他們所采用的方法，當然就是我們今天所稱之地球系統科學的主要构成部分。 這种動態過程發生在地質時代。地質時代是一种几乎難以想象的時間跨度，在這里，1000年僅僅是一瞬間。威爾斯（H G．Wells）《時間机器》中的人物可以看到几個世紀以來文明的演變；在一個非常堅固、可以回溯至十分久遠時代的裝置里旅行的生物學家或地質學家或气候學家，可以觀察到有机体的進化過程，以及它們与地球之間的相互關系。 一段特別值得一游的時期將是生命的萌芽時期，那就是大約35億年以前的所謂的太古代時期。在那里，我們或許會解決一個重要的科學謎案，這一謎案不僅包含了地球系統科學，而且處在圍繞全球變暖和我們針對地球的一些無意識實驗的危害這一現代科學論爭的中心。我們會在那里看到什么？ 我們將會看到太陽從天空云彩背后冉冉升起，看到高聳的、噴著煙霧的火山，看到海浪在輕輕拍打著既無樹木，也無雜草的瘠薄的平地。海岸線上凸立的是一些古怪的、∼米見方的、蘑菇狀的石塊。如果沒有保護眼睛和皮膚的裝置，我們不敢离開我們的時間机器，因為外面紫外線輻射強度极高，高到足以對陸地或空气中所有已知的生命的生存构成威脅。我們還必須佩戴氧气面罩，因為大气主要由二氧化碳气体組成，雖然存在一些氧气，但其含量大約只有今天的一億分之一。大气溫度高達38C，但正午的太陽比起我們所熟悉的全新世間冰川期（我們生活的時代）的太陽似乎要暗淡一些，而且顯得要小一些。我們的時間机器外部的太陽能接收面板顯示接收的能量約為600瓦，這大概是我們今天所接收的太陽能的四分之一。35億年以前的太陽要比今天的太陽小。 原因何在？當我們將核物理學引入太陽系各种作用的研究中來時，我們發現与它的大多數同類星体一樣，太陽也隨著把氫轉變為氮的熱核反應而變得越來越大，其亮度也不斷增加。大多數科學家相信，自地球誕生以來的大約45億年間，太陽的發光度增加了約30％，其中有5％是在過去到乙年間增加的。就是在這6億年間，生命快速進化，在我們今天挖掘到的岩石中留下了無法洗去的化石印記。 超級溫室效應 如果將進入地球的太陽能削減25％左右，大多數气候學家會毫不遲疑地認為這將使我們陷入嚴寒之中。但是，在太古代，气候明顯溫熱，而且沒有冰凍天气——請記住，我們的時間机器的室外溫度計所給出的讀數是暖烘烘的38C。這一疑難問題就是眾所周知的“弱早期太陽佯謬（early faint sun Paradox）”。在1970年，康奈爾大學的卡爾·薩根（Carl Sagan）和喬治·馬倫（GeorgeMullen）提出了一种解決這一疑難的觀點：一种超級溫室效應。他們認為，甲烷和氨這兩种气体能夠在地球大气層的下部非常有效地俘獲紅外輻射，而太古代可能有大量的甲烷和氨，它們俘獲的紅外輻射足以彌補太陽輻射的不足，從而保持一种溫熱的气候。批評者認為上述觀點是怪誕的。他們指出甲烷和氨是异常活躍的气体，而且在大气圈中的壽命較短，因此要取得上述效應，就必須不斷地向大气補充這兩种气体（一般假定是生物對之進行補充入果真如此，太古代又如何能夠聚集起足夠數量的甲烷和氨以使地球保持足夠的溫熱來維持生命的延續？我們對此一無所知，而這也是為什么時間机器對那些熱衷于探究地球奧秘者來說，是如此奇妙的一种想象的原因之一。 雖然對太古代時期的甲烷（CH。）和氨（NH。）是由生物過程還是由与生物体無關的其他過程產生這一問題，人們至今仍莫衷一是，但薩根和馬倫的基本思想已被大多數學者接受。然而，當代研究表明主要的超級溫室气体是CO。，而不是CH或NH3。但上述理論的陰影在今天仍籠罩著我們。如果太古代确實出現過薩根他們所推測的那种現象，那么這种現象會否再現？ 要回答這一重要問題，我們必須了解影響大气圈成分和結构的各种過程。 在科學上，了解的增多并不總是意味著肯定性的增加，至少在一個假說的早期是如此。對一個問題的解決常常會產生另一個新的問題。這里的問題是：為使太古代保持溫和的气溫，如果當時的CO。含量數百倍于現代，那么，在此后的30億年間，隨著太陽發光度增加了大約25％，又是什么作用使得地球气候沒有相應出現急劇過熱的情形？ 這一疑難問題的答案（事實上只是一些假說）通常有兩种（有時是矛盾的）類型：一种理論認為是通過無机地球化學過程帶走一定的CO。來達到對溫度和CO。含量的控制；另一种觀點認為COZ的帶走是由生物過程來控制的；也有人認為兩种過程都起作用。木管是哪一种觀點，它們都是以一种被稱為負反饋的作用為基礎的。 我們這些熱血動物都具有起穩定作用的負反饋机制。我們擁有生理學家所稱之体內平衡系統。如果太熱，我們通過出汗來達到一种負的或穩定的反饋。如果太冷，我們會顫抖，這是一种提高新陳代謝水平以產生熱量的力學行為，它也是一种穩定的反饋。 在气候系統的眾多反饋過程中，有些起著穩定作用，相當于一個恒溫器，有些則起著降低穩定性的作用。例如，如果地球變熱起來，雪和冰將會出現什么后果？某些會融化，這种融化的結果將是以綠樹或棕色沙漠或藍色海洋取代原先明亮、洁白、高反射的冰雪告終。綠樹或棕色沙漠或藍色海洋的顏色要比雪原深，因此將吸收更多的陽光。如果我們能夠以某种方式使地球變熱井因此使一部分雪融化，地球將吸收更多的陽光，而這种反饋机制將會加速變熱過程。這是一种正反饋。但是，如果加熱引起更多的水發生蒸發并形成白云，這將會有更多的陽光被反射回太空，從而降低地球的熱量，這就是一种負反饋。 讓我們再回到有關C（）z含量降低机制的爭論。針對地球化學過程控制大气CO。含量這一模型，1980年，詹姆斯·沃克（JamesWalker）、保羅·海斯（Paul Hays）及詹姆斯·卡斯廷（JamesKasting）這几位當時都在密執安大學工作的學者，提出了一個風化一气候穩定反饋系統，這一系統被他們的同事們稱為WHAK系統（他們几位名字的首字母之組合）。這几位學者指出，伴隨气溫的變暖，有更多的水蒸發，降雨以及水土流失的增加使水文循環更具活力。 WHAK机制運作的時間尺度是數千万年至數億年。它本身并沒有試圖來描述短周期的CO。變化，這种變化可以解釋恐龍時代的极熱，以及2万年前本次冰川期的极冷（后面將要對此予以評述）。 如果大气中有高的CO。含量，CO。与雨水的結合產生碳酸，降雨的增加將使地表的礦物遭受大量碳酸的風化作用。在WHAK系統所提出的風化作用中，鈣鎂硅酸鹽將与大气中的碳結合，降低大气的CO。含量，并將碳固定在碳酸鈣（石灰岩）和碳酸鎂（白云石）等沉積岩中。大气CO。含量的減低意味著溫室作用的減弱，因此，通過這种無机負反饋過程，使地質歷史時期由太陽發光度增加所引起的溫度升高得到抵消。 蓋亞假說是真的嗎 太古代隨著太陽發光度的增加，大气具有高的CO。含量，第二种假說認為＊0。的降低与生物學過程有關。英國科學家兼作家詹姆斯·洛夫洛克（JamesLovelock）曾提出了一种生物負反饋机制的設想。他試圖解釋生命如何在全球規模上作為一個自動負反饋系統發揮其作用。在他的鄰居、作家威廉·戈爾丁（WilliamGolding）的建議下，洛夫洛克借用希腊神話中大地女神蓋亞（Gala）的名字將自己的假說命名為“蓋亞假說”。科學家們起初并沒有認真對待這一假說，而且至今仍有一些人對它持批評態度。這一假說認為地球的大气圈是生物自身的一個不可缺少的、有規律的、必然的組成部分，千百万年以來，生物控制了大气圈的溫度、化學成分、氧化能力以及酸度。“蓋亞假說”的擁護者認為生物對地球的環境起著積极的控制作用。洛夫洛克的机制基于下述這樣一种假定：即發生光合作用的微生物（如浮游植物），易于在CO。含量高的環境里繁殖，因此這些微生物將會迅速地（指在地質時間框架內）從空气和海洋中帶走C（）。，轉變成碳酸鈣。當它們死亡之后，這些碳酸鈣沉積物會下沉至海底。 洛夫洛克和微生物學家林恩·馬古利斯（I。gun Margulis）多年來一直堅持認為，如果不是生物在起作用，地球的大气圈將是CO。占絕對主導地位，地球与其姐妹行星火星和金星將沒有兩樣。他們指出，這种以C（）。為主的大气圈產生∼种強大的溫室效應，使地球的溫度比現今要高出60C左右，足以燒焦各种生物。 上述假說的反對者的反駁意見是，在地球上出現生物后的大部分時間里，并沒有進化出浮游植物，既然如此，這一CO；消耗机制又怎能被用來解釋“晚近”（即過去几億年）之前的“弱早期太陽作謬”？“蓋亞假說”支持者對此的一种回答是，推測自生命開始以來即存在于海水之中的藻類可以分泌能固定一些碳的固体物質。确實，我們在太古代海濱所見的蘑菇狀岩石就是一些疊層石，它們是生活在自身分泌的含碳的堅硬物質中的有光合作用的藍綠藻的堆積作。今天人們仍能找到這些游綠藻的后代，它最常見于澳大利亞西部的沙克灣。 疊層石的進化歷史較末代恐龍的長50倍。然而，人們并沒有定量地證明，地質歷史時期曾經存在足夠多的這類生物体的結构，它們消耗了大量的CO。。因此，疊層石的作用仍是∼個尚待解決的問題。 有時候會出現∼些新的理論來調和一些互相對立的假說〔這些假說即為哲學家托馬斯·庫恩（Tho。as Kuhn）所指之對立的范例（naraaigms ）j。在我看來，雖然現在肯定“蓋亞假說”的真實性尚為時過早，但這一假說的支持者确實提出了一些新的明智的見解，從气候變化中的生物調節作用尋找弱早期太陽佯謬的答案。例如，霍華德大學的戴維·施瓦茨曼（David Schwartzman）及紐約大學的泰勒·沃爾克（Tyler Volk）不留常規，另辟踢徑，認為太古代時期的气溫既不是很熱也不是很冷（見圖二。l）。相反，這兩位學者指出，只是當無机因素使他表溫度降低到一定程度（如低達60℃∼70C）后，才使原始細菌得以生存，此時，“蓋亞假說”才發揮作用。隨后几十億年的生物進化在几億年前達到高潮，出現了樹木和花卉，生命的不斷發展降低了CO。含量，從而結束了超級溫室效應。隨著地質時代溫度的降低，更多形式的生命得以生存下來，它們反過來又通過消耗CO。參与了“蓋亞假說”的負反饋過程。 沃爾克和施瓦茨曼提出了一种消耗CO的特殊机制——“風化的生物加強作用”的假設，該机制認為土壤中的生物群使礦物和風化化學物質之間的接触面積增加，從而大大提高了風化作用的速度。提出這一大膽設想的兩位學者注意到了下面這一重要的、相矛盾的地質事實：自20億年前以來，多次出現岩石表面被磨損和鏟到的明顯證据，它們与現代冰川所造成的印痕同屬一類。因此，傳統的地質學思維方法認定在地球歷史的大部分時期存在多期冰川作用。如果這种結論成立的話，那么自太古代到進化出現复雜有机体的6億年前這段時間內，地球的溫度就不會像“蓋亞假說”所要求的那樣炎熱。然而，“蓋亞假說”的支持者們如同訓練有素的律師一般，試圖為這些与他們的假說相孛的證据作出另一种解釋。比如，針對上述證据，沃爾克和施瓦茨曼指出岩石表面的擦浪是由諸如流星和小行星等外來物与地球的碰撞造成的碎屑流引起。這一問題的解決將成為地學研究者在探究地球系統科學的嘗試中的收獲之一。 盡管圍繞CO。的消耗及溫度問題仍存在爭議，但沒有人會怀疑生物在形成氧气這一空气中最主要的成分過程中所起的不可缺少的作用。光合作用利用太陽能將CO。和水轉變成碳水化合物和氧分子。這一反應的逆過程就是生物的氧化作用和腐爛作用，即碳水化合物与氧結合，釋放出熱量，產生Ct）和水蒸气。將無權的CO。分子分解并合成有机的碳水化合物和氧需要利用太陽能來進行。同樣，生物的氧化作用和腐爛作用則要利用氧气并釋放出碳水化合物的化合鍵所儲存的化合能。這种“生物能”可使熱血動物產生自身的內部熱量，這也解釋了樹木為什么可以作為一种燃料來燃燒。礦物燃料之所以能夠燃燒是因為它們都是有机物質的殘余，這些以碳為主的有机分子蘊藏著曾用來將CO。轉變成植物体的古代太陽能。大多數生物最后都要經歷腐爛過程，但這些有机物殘余則不然，它們所含的碳分子以化石這种形式被保存下來。 這种情形的出現一般要經歷一段缺氧的埋藏環境。如有机物先在內陸淺海底部沉積下來，然后遭受密閉、壓實作用，并且隨著時間的推移，有机物質經過化學變化轉化為煤、石油以及甲烷（天然气）。我們今天點燃一塊煤，實際上是在還原有机物殘余中恐龍時代的CO。和太陽熱量。一座煤礦的形成需要數百万年的時間，但人類釋放煤中的CO。和其他化學元素則只需數十年的時間。這一人為加速的過程產生了我們今天最大的全球問題，并使气候學家和生態學家均為之憂心忡忡。為了明智地討論上述問題，科學家們需要掌握确定時間的方法。他們不僅要确定岩石的形成時代（絕對時代），而且要确定一層岩石相對于其上下岩層而言的對比年代（相對年代）。 為古老的地球定年齡 地球并不是一直被認為有几十億年的年齡的。早在18世紀，在法國和英格蘭，人們就對地球的年齡爭論不休。這場爭論起先發生在神學家和科學家之間，后來科學家內部也出現了分歧。最早賦予地球絕對年齡的是一些神學家，對他們的結論提出話問會被認為是离經叛道。1645年，愛爾蘭阿爾馬大主教詹姆斯·厄舍（JamesUssher）引用圣經里列舉的資料（實際上他是根据圣經人物的世代關系回溯創世歷史），宣稱上帝創世事件發生在公元前4004年10月26日上午9點整。到了19世紀早期，大多數地質學家明顯地感到大主教的推測不大可能正确，甚至与真實情況相去甚遠。 18世紀，蘇格蘭地質學家詹姆斯·赫頓（James Hutton）以及他的一些同代人相信，塑造地球表面的物理和化學過程清楚地證明地球至少有几千万年的歷史。他們的這一估計是根据一种被稱為均變論（与突變論相對立）的地質學原理得出來的。均變論認為過去的地質作用實質上与今天正在進行的地質作用相同（這一概念在接下來的几頁里將要多次提及）。例如，赫頓提出粘土和粉砂在現代河口的沉積方式是可以被視察到的。通過研究這些新的沉積層如何固結為頁岩和粉砂岩，人們就可以推斷老沉積層堆積所需的時間。如果假定在過去數百万年間發生相同的地質作用，我們就能夠估計類似地層的年代，并得出地球的大致年齡。然而，這种采用岩層作為年代標志的方法所依靠的許多變量過于复雜，以致難以進行准确測量。比如，气候的變化以及陸地升高的差异可以改變剝蝕和沉積的速率。 圖1．1所示的是根据現代測年技術而建立的一張地質年表序列。應當指出，雖然19世紀的地質學家們并不清楚他們當時研究的岩石的絕對年代，但他們多少知曉某一地層的相對年代。年輕岩石發育在年老地層之上，這一假定在大多數情形下是正确的，但也不盡然。這一假定就是所謂的地層層序律。 地質學家們針對不同岩石地層的成分和年齡設計了一套命名体系。這一体系由一系列時間段以及在這些時間段內沉積的岩石的名稱所組成。這些時間段僅僅是地質時間的次級單元。過去6億年的“晚近”時期由古生代（5．7∼2．25億年以前）、中生代（2．25∼0．65億年以前）以及新生代（0．65億年以前至今）組成。大多數生命是在這一地質時代進化而成的。這些生物的化石殘余被廣泛地用來确定地層的相對年代，并將地質年代進一步細分為紀（Period）和世（ePoch）。我們已經掌握了生物進化的許多階段，知道哪些動物和植物在進化過程中先出現，我們也就因此能夠根据岩石所攜帶的化石的類別來确定岩層的相對年代。（化石的价值還体現在：通過在不同地區地層之間進行化石的對比，有可能追蹤地球表面大陸漂移的軌跡。我們在下文還將看到，化石也是有用的古气候標志。）19世紀的地質學家們建立起來的地質時間序列主要解決了相對年齡問題，但絕對測年技術在當時仍是一個懸而未決的問題。尋找∼种可靠的時鐘來重建絕對地質年表，已成為學者們此后致力研究的一個主要目標。 開爾文勳爵的測年方法 在詹姆斯·厄舍宣布地球年齡200年之后，開爾文（Kelvin）勳爵試圖利用科學的手段和推理來求出地球的年齡。 作為維多利亞時代格拉斯哥大學的自然哲學教授，開爾文是當時最具影響的理論物理學家。他采用當時已知的熱力學原理來計算地球的年齡。根据對來自地球內部的熔岩流的觀察以及以往對深部礦床的開采經驗，開爾文知道地球的內部比地表要熱得多。因此，他期望通過觀察地表和地內的溫度差別（即所謂地溫梯度）來推測地球的形成年齡。他假定地球的初始狀態是一個溫度約為3850“C的熔融体。因此，他的計算結論是約需1億年的時間才能使地球達到現在的地溫梯度值。這一時間即被他視為地球的年齡。 開爾文的上述估算結果在其支持者——理論物理學家和反對者——地貌學家（研究地表形態的地質學家）之間掀起了一場大爭吵。地貌學家們在應用均變論原理計算某些地質特征的形成時間時，發現地球表面的某些特征所反映的地球年齡遠遠不止1億年。但是，這些地貌學家在當時又無法令人信服地證實他們所觀察到的地質現象代表了更老的地球年齡，其觀點也當然地遭到了許多物理學家的反對。在地球年齡這一問題上，物理學家們在當時提出的新認識實際上增加了科學家們對地球絕對年齡認識的不确定性。但這种局面只持續了數十年。 有時候，一些新的科學見解或發現會導致一种修正的范例以及一些看起來是矛盾的理論和觀察結果之間的調和。地球年齡之爭就是這樣一种情形：在19世紀与20世紀之交，放射性的發現使得地球年齡這一問題再一次成為討論熱點。開爾文勳爵當初是不知道地核放射性作用所產生的那部分熱量的，如果在他的計算中考慮到放射性產生的這部分熱量，那么計算結果就會与地質學家們的最佳估計更為接近。后者是將均變論原理應用到地表形態的演化研究并進而推測地球的年齡的。放射性也為地質學家們進行地球絕對年齡的測定提供了一种獨立的基准。放射性測年 一個放射性原子會隨時間發生衰變。放射性原子的衰變速率被認為是一個常量（除非原子是以接近光速的速度發生運動），它實際上不受壓力、溫度等的影響，也不會因為由放射性原子构成的化合物（如岩石、水或空气）發生物理變化而發生改變。一個放射性元素的衰變速率是以其半衰期來表示的，即初始原子數的一半通過自然放射出質量和能量而衰變成其他（子）元素和粒子所需要的時間。如果我們知道子元素形成的恒定速率，那么，求得原始元素与子元素的比值，我們就能推算一塊岩石的年齡。這一知識使得科學家們能夠計算包含原始放射性元素的礦物的形成年齡。以岩石中的放射性衰變為向導，地質學家和地球化學家們能夠确定岩石的絕對年齡，因而也能确定地球各种地層的絕對年齡。有了這一放射性測年技術，人們也就找到了一种用于計算地球年齡的可靠時鐘。 用于岩石測年的有几种元素，其中包括衰變成鉛（Ph）同位素的鈾（U）同位素（半衰期在7∼45億年之間）、衰變成鋸（Sr）的鉚（Rb）同位素（半衰期為500億年）以及衰變成氨（Ar）的鉀（K）同位素（半衰期為13億年）。 在同位素測年的早期階段（1900∼1939年），簡陋的分析方法和有關原子核作用認識上的局限阻礙了科學家的實驗工作。盡管如此，通過測量含鈾礦物中的U／Ph比值以及多种岩石和礦物中He氦）／U比值，科學家們還是能夠進行粗略的年齡估計。 由于Rb和K有較長的半衰期，Rb／Sr和K／Ar測年技術分別是最可靠的測年技術之一，其測定的年齡范圍几乎包括了整個地球的約45億年的歷史。但是，如果要測定比較新的地質事件的年齡（比如過去几千年前某一事件的年齡），則需要采用一些半衰期短得多的放射性元素。 放射性碳測年 1947年，美國化學家威利亞德·利比（Williard Libby）發現了一种重要的測年手段，它使得气候學家、海洋學家、地質學家以及考古學家能夠准确地重建气候變化、地質事件、動物進化以及文明演化的歷史。利比及其同事們找到了一种估算在過去4万年以內死亡的植物和動物遺骸的年齡的方法，這些遺骸包括樹木及其他殘留体（如泥炭層）、海洋及淡水貝殼，以及溶解有碳的海水和地下水。 碳元素在大气圈一水圈一生物圈中极為丰富，它有三种天然同位素，“C是其中的一种。与“C和‘’C這兩种碳的穩定同位素木同，“C是不穩定的，但相當連續的宇宙射線的照射會將大气圈中氮分子轉化為“C，從而使“C不斷得到補充。（太陽活動的變化會引起“C產量的變化，但這些不會對碳測年方法构成大的阻礙。）大气中的碳（包括“C）通過光合作用轉化為有机碳化合物。 當植物活著時，其組織中的’‘C會保持著一种相對的平衡，這是因為它們不斷通過光合作用從大气中補充“C供給量。動物總是吃活著的或剛死不久的植物（或食草動物），它們也保持著一种与大气圈密切平衡的“C水平。但是，當動物或植物死亡之后，由于沒有新的“C的補充，它們組織中的放射性“C就發生衰減。 与所有放射性元素一樣，“C也有其半衰期——約5750年。也就是說一定量的’‘C原子要經過5750年才能使其一半原子發生放射性衰變。由于這一衰變速率不受外界條件的影響，一個樣品中“C的消失速率与’‘C進入該樣品的時間之間存在一种絕對的關系。因此，通過測量一個樣品中’‘C的相對含量，科學家能夠确定該樣品的年齡。气候學家們利用“C測年技術以及記錄含化石地層的傳統方法來建立气候變化年表。通過利用’‘C測年技術确定冰塊覆蓋下的樹木標本的年齡，我們可以建立大陸冰川擴展的年代表。對沼澤中的泥炭樣品和湖岸中的浮水的測年同樣也可獲得冰川作用的時間表。對深海各种浮游動物沉積物中“C含量的測定，能夠确定适于各种動物繁殖的海洋環境之變更的時代。通過這种方法我們能夠推測海水溫度及相關的气候條件。運用利比的測年方法，气候學家們得以獲得一張過去4万年來的全球气候圖。對取自山洞聚居者的爐邊的木炭所進行的放射性碳測年工作，則有助于人類學家獲得有關人類歷史及其与气候波動的關系的大致認識。 氧气的起源 礦物燃料在地下的形成在研究生命對大气的影響中至關重要，這不僅是因為21世紀人類正面臨著由于礦物燃料的燃燒而帶來的全球變熱的環境風險，而且還因為這种形成過程也是氧气形成過程的一部分。 大約在10億年或20億年的時間里，海洋中的藻類一直在產生氧气。但是由于氧气极為活躍，而且在遠古海洋中存在大量的還原礦物（例如，鐵遇到氧气就很容易被氧化），因此，生物產生的大部分氧气在進入大气圈之前就已耗盡。當然，氧气在大气圈中也是极為活躍的。基于這一原因，大多數地球化學家相信，在地球生命歷史的前半段，大气圈中氧气的含量只有今天含量的极小一部分。即使進化過程在這一厭氧微生物時代“發明”了更复雜的形式，如果這些生命想在陸地或空气中生存的話，它們不僅將缺乏呼吸所需的氧气，而且來自太陽的未經過濾的紫外線也會在這些生命有可能進化到更高級的形式之前將其扼殺。地球化學家們曾經指出，20億年前，當海洋中的大多數還原礦物都被氧化之后，大气中的氧气含量才開始顯著增加。這也為當時一些剛剛進化到要靠氧气來驅動其代謝机制的生命形式打開了其生存所需的生態空間。 拯救臭氧層 對于那些試圖在地表或大气中生存的生命形式來說，大气圈中氧气的存在還有另外一個非常有益的作用：過濾對生命有害的紫外線輻射。紫外線可以破坏許多分子，比如DNA。禁止生產臭名昭著的含氟氯烴（CFC）也是基于這一原因，因為氟氯烴促進了平流層中的臭氧層耗損。 在紫外線的照射下，由二個氧原子組成的氧气分子Oz，被分解成相當不穩定的單分子O（它可以重新組合為O。）以及非常特殊的由三個氧原子組成的臭氧分子O。。臭氧分子能吸收太陽輻射中的大多數紫外線。只有大气中存在充足的O。，才能產生維持陸地上的生命（植物或動物）所需的O。。生命從原核生物（無核的單細胞生物）到真核生物（有核的單細胞）再到多細胞生物的快速進化大致發生在過去10億年間（又稱為大气的氧气和臭氧時代），看來确實不是偶然的巧合。 火山气候和漂移的大陸 我們不應得出這樣一种印象，即地球大气圈在向氧气階段的過渡以及CO。的消耗過程中，地球經歷的是一种均穩的或均一地變化著的气候（見圖1．1）。在生命從單細胞細菌或藻類向霸王龍進化的巨變階段，气候以及大气成分均不是穩定的。大陸發生漂移和碰撞，引起山脈隆起并風化，導致火山噴發，上述效應作用在洋中脊，形成海底。由于海底的物質密度要大于大陸，因此當海洋板塊与大陸板塊發生碰撞時，海底下沉（潛沒）到大陸板塊之下。一個“聲名狼藉”的潛沒帶就是太平洋中的“火環帶”，它是漂移的大陸板塊之間的交界，交界處板塊之間的滑動和擠壓導致了該地區（神戶、安克雷奇、舊金山、洛杉磯、庫頁島、墨西哥城）火山和地震的高發生率。在大陸底下被擠壓進入岩石圈的物質并不見得就此永遠從大气層中消失。回想一下部分潛沒物質的組成：它們是一些遭受風化的岩石，這些岩石中的礦物与從大气和海洋系統中帶來的碳結合在一起（這种結合有時被生命進化過程所調節）并以沉積物的形式埋藏下來。反過來，發生在“靜止地球”頂部的异常緩慢的作用，使得這些物質實際上通過持續的活火山噴發或偶爾的火山爆發而被再循環至大气圈和海洋。這一再循環過程耗時可達數億年。再循環物質的火山噴气作用，即所謂的沉積循環，對于C（）z 的消耗及气候的穩定有著更深入的關系。 漂移 盡管大陸漂移理論仍存在許多懸而未決的模糊之處。20世紀60年代，當這一概念的基本原理被地質學家和地球物理學家們所普遍接受時，它也就成為引發地球科學革命的一個新的范例。這一科學設想由德國气象學家和地球物理學家阿爾弗萊德·魏格納（Alfred Wegener）在20世紀20代首先提出的。 在魏格納之前的數個世紀，大陸漂移就曾是一种普遍流傳而多少令人感到怪誕的觀點。面對繪制好的大西洋兩岸的大陸地圖，地理學家fIJ注意到如果將某些大陸（如南美和非洲）移到一起，則可以看到這些大陸之間存在著非常好的鋸齒狀吻合關系。在整個19世紀，地質學家們在不同大陸的相對應地區發現了類似的岩層和礦物層（地層）、化石以及一些其他可以對比的特征。例如，在諸如南美和非洲這兩個現在遠隔重洋的大陸之間，存在著相似的二疊紀冰川作用遺跡，這導致一些學者怀疑它們曾連在一起构成一超級大陸（名曰岡瓦納古陸）的一部分，它們當時位于南极附近并發生冰川作用。 冰川作用的遺跡包括拖曳著巨大礫石的冰川在岩石表面蝕刻的相似的槽溝形式。根据這些槽溝，科學家們能夠确定古冰川的運動方向。 持怀疑態度者對這些證据不屑一顧并嘲笑大陸漂移這一理論。美國哲學學會理事長在20世紀20年代曾宣稱大陸漂移理論是“十足糟透了的胡說八道”。直到二戰結束以后大陸漂移理論仍未獲應有的承認。事實上，人們還需要兩項革命性的進展才能使魏格納的觀點變得可信：證實大陸曾經移動（而且今天仍在移動）的直接物理證据以及對這种移動的解釋。 20世紀50年代，伴隨著全球洋中脊体系的發現，大陸移動的物理證据也開始出現。全球洋中脊体系由基本上環繞地球的長約65000千米的海底山脈組成。沿著這一山鏈的中央部位存在一條窄而深的裂谷。熱的岩漿沿著這一裂谷上涌，在岩漿凝固的同時，它們向兩側擴張形成新的地殼物質。這一過程被稱為海底擴張，到了20世紀60年代時它已被古地磁方法證實。隨著新的岩石的形成，它們被永久磁化，其磁場則沿著形成時地磁場所指的方向排列。當地磁場發生倒轉時，在洋中脊兩側的海底均可見到平行對稱的反向磁异常條帶。如果已知發生這些磁极倒轉的大致年代，則通過測量裂谷与反向磁异常條帶之間的距离就可以确定海底擴張的速率。 當一艘考察船拖著磁力儀在海底“裂帶”上方的海區來回穿梭時，磁力儀會獲得這些裂谷的有關古地磁證据，并進而确定其极性。20世紀60年代晚期，作為深海鑽探計划的一部分，“格洛瑪·挑戰者”（Glomar Challenger）號考察船從大西洋洋中脊直接獲得了岩芯，從而為科學家們提供了直接的證据。如同所預測的那樣，裂谷處的海底被證實是最年輕的。沿中軸往兩側，海底的年齡逐漸變老。由于海底的地殼不斷被埋葬和再循環，因此，相對于大陸來說，洋底的年齡較為年輕。洋底的平均年齡大約為1億年，而測年所得最老的大陸岩石的年齡為近40億年。 當新的海底形成時，老海底發生什么變化？海底的更新又是如何影響了大陸？使魏格納的理論變得可信的第二個革命性的進展——板塊构造學來自于試圖回答上述及其他問題所進行的科學探索。 有必要將支持大陸漂移的觀察到的事實与試圖解釋這些事實的假說區分開來。生物進化也有類似的情況。如前所述，數以百万計的化石碎片以及其他更新的證据支持了生物進化這一事實，但達爾文（Darwin）用來解釋進化机制的經典理論——自然選擇，在今天仍是一個令科學家們爭吵不休的話題（神創論者當然也要對這一理論提出挑戰）。當然，解釋這些現象的理論的不完善并不能否定支持這些現象的大量的證据的存在。 類似地，且不管已被普遍相信的板塊构造學本身的正确程度有多大，大陸漂移的證据是隨處可見的，并為所有有遠見的地質學家和地球物理學家所接受。 已故加拿大物理學家威爾遜（J．T．Wilson）1965年提出了漂移板塊的觀點。根据板塊构造學理論，地殼可划分為一些巨大的塊体（板塊），在來自地球內部的熱量的驅動下，這些板塊在柔韌的地慢上漂移。這些由大陸地殼和海底地殼組成的板塊，方圓可達數千千米，厚可至130千米。當板塊在水平方向相互离開時，在板塊之間會形成一些裂谷（洋中脊），從而為新海底的上涌打開通道。如果這樣的裂谷出現在大陸上（非洲的阿法爾裂谷就是一例），大陸就開始分裂。當板塊發生碰撞時，它們或者是發生彎曲形成山脈，或者是一個板塊潛沒（下沖）到另一板塊之下，二者必居其一。后一過程就形成了太平洋地區火山活動頻繁的“火環帶”。熱量和壓力使部分潛沒物質發生熔融，這部分熔融物質最終將沿裂谷上涌形成新的地殼。當兩個大陸板塊發生碰撞時，將形成山脈（如印度板塊撞到亞洲板塊，形成喜馬拉雅山脈）。板塊交界處的地震活動也較其他地區頻繁，這也進一步支持了板塊构造理論。 我們在此介紹板塊构造理論的主要目的，是想說明地球表面是處于不斷變化之中的。前文我們已經暗示了大陸漂移与冰川活動期有某种聯系。至少可以將一种气候上的巧合事件与大陸的重新調整聯系起來：比如南极大陸与周圍大陸的隔离以及隨后的冰川作用。 在南极大陸被隔离開來以前，即地質第三紀前半段（約3500∼6500万年以前）的大部分時間里，南极洲曾發育落葉樹（季節性的）和針葉樹（常青樹）的許多种類。南极洲西部一些島嶼的樹木碎片化石證實了這一事實。因此，當時南极洲（至少在發現樹木化石的南极邊緣）的溫度比今日要高約10C∼15C。 5500万年以前，澳大利亞大陸開始与南极大陸分离，這一事件不僅導致了南极洲顯著的气候變化，而且還使澳大利亞發生特殊的生物進化，例如袋鼠的單獨出現。自從南美洲和南极洲東部之間的德雷克海道打開之后，環南极洲海流從此暢通無阻。這一環流阻擋了北方的暖流，從而使南极洲周邊的海水溫度較低。因此，相對于南极大陸与周邊大陸的隔离這一事件來說，大約4000万年前，南极海水的發育以及隨后南极冰蓋的形成遠遠不是偶然的。到了距今400∼700万年前，南极大陸确确實實發生了強烈的冰川作用。當然，也有人認為南极被冰覆蓋的時間要比這一時間早數千万年。不管怎樣，南极冰蓋今天所容納的水量与全球海平面曾下降60米相吻合。有證据表明，另一支重大的海流——海灣洋流也在逐漸增強。 与洋流的增強以及大陸逐漸漂移到各自目前的大致位置這一過程相伴，從赤道到兩极气候也出現了差异分明的分區。一些植物和動物在极地气溫較高時曾廣泛分布于全球各地，后來，隨著极地變冷，這些植物和動物根据各自的生態需求（這些需求也隨生物种的進化而改變），遷徙到一些适合它們生存的气候條件更為局限的地區。雖然許多物种的活動范圍受到了限制，但由于今日地球的气候差异比新生代早期更為普遍，反過來它也為物种提供了更多的生態机會和生存空間。這也使我們聯想起包括哈佛大學的愛德華·威爾遜（Edward O．Wilson）在內的一些生物學家所報道的一种現象：物种种數的絕對值（不一定是它們的丰度）隨地球的變冷而增加。此外，從白玉紀到現代的過渡時期中，白玉紀有助于煤層和油層形成的高的生物生產率，也隨著地球的變冷和CO。含量的可能減少而降低。 地球就這樣緩慢地進入了第四紀，在這段晚近地質歷史上長約200∼300万年的時期內，大約每隔4∼10万年，就會重复出現冰蓋的重大擴展和收縮。 我們目前正生活在第四紀內長達1万年的气候上非常穩定的一個間冰川期（全新世）內。我們后面還要討論這种穩定能持續多久。 |
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