你所不知道的地球：七大未解之谜

虽然我们称之为我们的家园，但是我们依然对它知之甚少。它是怎么在一团尘雾中形成的?它是怎样驾驭自然界生命的？深入它的内核，那里又是怎么运转的？关于这个美丽而又迷幻的世界，科学家会对这些基本问题做出解答。

1. 地球是怎样把所有好东西尽收囊中的？（by Stuart Clark）

环顾我们的太阳系，大部分人都会想当然地认为，它的八颗行星不过是漂浮其间的八个截然不同的个体罢了。然而在比45亿年前更远的过去，它们都是由一些环绕太阳的星云所构成的。这些星云由星际气体和尘埃所组成，在引力作用下围绕着太阳的中心旋转。灰尘碰撞并互相粘在一起形成一些碎块，体积和质量不断增大，同时也形成越来越大的引力场。这些碎块之间进一步碰撞并结合，最终形成了我们现在所看到的这些行星。

上面说的仅仅是个概况，而在地球生命形成的早期阶段究竟发生了什么，依然是个谜。而解决这个问题的基础就在于理解地球为什么适合生命存活？我们都了解，与太阳保持适当的距离使地球获得了恰到好处的光和热，这就满足了植物生长的需要。可是仅仅有这个是不够的，假如没有碳、氢、氮、氧、磷和硫这些组成生命的主要元素，假如地球表面没有液态的水，生命如何能够最初形成并发展演化呢？这么看来，地球不过是在化学成分上比它的其他行星邻居更适合形成生命。那么，地球是怎么把这些所有的好东西尽收囊中？

因为距离太阳的远近不同会导致星云内部温度差异，这些差异使不同的元素分别富集起来。而接下来会发生什么？这些元素是怎么进一步聚集形成了行星？为了解决这个问题，我们必须找到最初形成行星时的证据。地球上的岩石在久远的历史年代中被多次挤压、熔融和风化，我们现在看到岩石的已经不是其最初产生的样子；而太阳系的其他行星距离太远，很难取到合适的岩石样品；因此，我们只能寄希望于陨石。这些陨石与太阳系的行星同时形成，并且在漫长的历史岁月中基本没有被改造，所以它保持了行星最初形成时候的信息。可惜的是，我们只能被动地等待它从天而降。

有一种陨石被称为球粒陨石，它们的组成成分在很多方面与我们的地球非常相似，这表明最初它们可能与地球是由相同的物质构成的。但是，这里面也有一些差别无法解释。比如，球粒陨石的氧同位素组成与地球就差别很大，这个问题就没有人知道为什么。但是因为氧元素作为地壳含量最高的元素，占了地壳质量的一半左右，所以我们无法忽视它。

另一个未知问题是，地球是怎么获得了生命赖以生存的水？因为距离太阳很近温度较高，所以水分很容易在行星形成的时候被浓缩分异出去；再则，在形成月球的那一场大碰撞中，地球上的水也很容易被蒸发干的（见“地球的未知年代发生了什么？”一节）。目前主流的解释是，地球上的水来自太阳系外的冰彗星，这颗冰彗星在“后重轰炸期”撞击地球，携带的水以降雨的形式落到地球上。但是，实际上并也没有真正确凿的证据表明，地球上的水到底是从哪里来的。

很显然，我们需要对行星的形成有一些新的认识。欧洲航天局的“赫谢尔（Herschel）”太空望远镜今年晚一些时间就会升空，它可能会给我们一些新的答案。利用它那几乎相当于半个“哈勃”太空望远镜的巨大镜头，“赫谢尔（Herschel）”可以窥探到更遥远的宇宙；而它的红外探测仪则可以让我们首次看见那些正在形成中的行星，而这些可能正是很多年前我们的地球所经历的。

2. 在地球的未知年代里究竟发生了什么？（by Stuart Clark）

大概在45.3亿年以前，还处于婴儿期的地球刚刚稳定在它的轨道上，灾难却发生了。一个相当于火星大小的天体擦过地球，碰撞产生的碎片被甩入地球的轨道形成了月球；同时，碰撞产生巨大的热量融化了地球的表面，这样一来此前关于早期地球的地质记录就被完全抹掉。这就给我们地球最早的5亿年留下了巨大的空白，我们几乎了解不到当时的任何情况。

通常认为太阳系的形成时间是45.67亿年前，而到了45.5亿年前，65%的地球已经汇聚成型。又过了2000万年，上面所说的那次肆意妄为的大碰撞就发生了。这次碰撞同时向地球的大气输送了大量气态的硅。这些硅凝聚并且以岩浆雨的形式落下，以每天一米的速度沉积成一片岩浆海；而地球也因此整个被熔融，包括地核。等这一切结束后，地球再慢慢冷却，重新形成了固体的表面。

这次碰撞使冥古代的地球环境犹如炼狱般恶劣，我们今天所见到地壳中的岩石基本上都年轻于36亿年，所以对于当时的环境记录非常少。还有极少的更古的老岩石，它们大概只占地壳的百万分之一，也在长久的地质历史中因为温度压力的作用下发生变质而无法记录当时的信息。幸运的是，还有一种叫做锆石的晶体，为我们留下了一些地球早期的线索。

在西澳大利亚的杰克山（Jack Hills）的岩石中，科学家发现了一些锆石，这是已知的地球上最古老的矿物。这些锆石由一些异常稳定的硅酸锆晶体组成，并且含有高浓度的铀，放射性的铀可以用来测定锆石的年龄。虽然发现这些锆石的岩石都很年轻，但是这些锆石却显示出它们有超过40亿年的历史。（译者注：根据放射性元素的半衰期原理，根据放射性元素衰变前后的浓度变化，可以计算出衰变时间，进而获得矿物的年龄）

虽然这些锆石不能确切地告诉我们当熔融的地球冷却下来的时候究竟发生了什么，但是它们的氧元素含量却显示出它们是在水中形成的。这就暗示我们早在40亿年前，地球上的海洋就已经存在了。这也带来了新的问题：海洋的存在需要一个固体的表面，那么这个地壳是什么样的呢？这个问题直到现在也没有很好的答案。而关于冥古代地壳最显著的观察结果是，当时地壳并不存在。这样矛盾的结果无疑叫人很失望，但是它为我们指出了另一种可能：当时的板块运动异常剧烈，导致地壳的更新换代极为频繁。

现在还有两种途径来了解冥古代的地球。综合多种微区分析手段，对地球上更多的古老的岩石矿物进行研究，以期获得更多当时地球的信息。

另一种方法是，对月球和火星的矿物进行勘察研究。因为碰撞产生的岩石碎片结合形成了月球，所以它上面可能残留了地球在被撞击前的一些信息。与地球不同，月球和火星上的岩石都没有被再次熔融，所以有更大的可能性在它们表面寻找到真正古老的岩石。假如我们运气足够好的话，没准会找到那么一两块碎片，它们出生在冥古代，因为大冲撞而被甩入太空，然后降落在月球或者火星上。事实上，关于那个未知年代的研究，我们只能乐观对待。

3. 生命是从哪里来的？（by Stuart Clark）

有人想象生命是通过一个陨石从外太空某处飞到地球上来的，这当然可以。但是那种可能性实在是太渺茫了，所以我们还是从早期地球的物理化学环境的研究开始，获得生命形成的基本条件。但是研究地球早期的物理化学环境是个很难的问题，因为今天的地球基本没有留下任何当时的痕迹。

目前所了解到的，在沉积岩中记录下来的地球上最早生命的证据出现在38亿年前。这些岩石是1990年在西格陵兰岛上发现的，它们具有很低的碳同位素组成。低的碳同位素组成通常被认为是微生物活动的一个标志，因为轻的碳同位素更容易穿过细胞壁而聚集在微生物体内。（译者注：碳同位素组成是指碳-13和碳-12的比值，微生物的生命活动中，碳-12更容易进入微生物体，导致碳-13和碳-12比值偏低）

这些记录最早生命证据的岩石形成于那次制造出月球的大冲撞之后。当时原始的海洋和陆地正在形成中，可是又一个小行星撞了过来（属于“后重轰炸期”），结果海洋再次沸腾了。达尔文曾假想生命起源于一个“温暖的小池塘”中；实际上看来，它更像是一个灼热的、咸水的大锅炉。

这与我们现在生活的环境截然不同，但是很可能这就是当时的真实情况。因为现在并没有任何关于生命起源事件记录，所以也有可能早就不存在当时那种“合适的环境”了，或者这个事件转瞬即逝，而我们无法抓住。

尽管有那么多的可能，我们还是能够在现在的地球上找到类似的环境。在大洋底部有很多出口，滚烫的热液通过这些出口输送进海洋，而这些热液出口的周围的环境，就很像早期地球的那种“灼热的、咸水的大锅炉”。在这些地区，广泛地生活着一些微生物，这些微生物具有最原始的结构，并且都不需要阳光提供能量。但是还没有人知道，这些热液出口究竟是生命起源之地呢，还仅仅是原始生命的一个避难港。

另一个难题是，最早的那些无机化学成分是怎样结合在一起形成有生命的组织的？这里我们就遇到一个鸡生蛋还是蛋生鸡的窘境：DNA要发挥作用需要蛋白质，而合成蛋白质又受到DNA的控制。那么究竟哪个最早出现呢？目前最合理的认识是，它们是简单的化学成分通过复杂的反应同时产生的。而这也大大增加了研究生命形成具体时间的难度。

地质学家转向火星寻找答案。火星上没有板块运动的破坏，有可能找到地球生命起源时期的沉积岩。科学家希望这些岩石保存了一些生命起源前的化学信息。虽然是一项巨大的赌注，但是运气足够好的话，没准还能在这个红色的星球表面找到一些最早的生命形式。这些前后的证据集合起来就能够记录整个下来整个生命的起源事件。

4. 为什么地球会有板块运动？(by Kate Ravilious)

如果没有板块运动，我们的地球会是个完全不同的地方。持续不变的地壳循环为我们提供了稳定的气候、矿产和油藏，同时令海洋保持化学平衡。它甚至会每隔几亿年就会推动生命实现一次飞跃式的进化。

地球是我们所了解到唯一有板块运动的行星。那么什么令板块运动？通过模拟我们得到，要使一个行星具有板块运动，必须要有非常恰当的尺寸。如果个头太小，它的岩石圈——包括固体的地壳和上地幔——就显得太厚了。如果个头太大，巨大的引力场就会把各个板块牢牢压在一起，固定着不让其运动。同时环境也必须恰到好处，不能太热，不能太冷，不能太干，不能太湿。

除了满足上面的条件，还有一个至关重要的因素需要注意。岩石圈在碰撞时，总是有一个板块会冲到另一个板块的下面，我们称这个过程为“俯冲”。在很多深海盆地的边缘，低温而且高密度的洋壳经常会俯冲到那些浮力更大的陆壳之下，这些洋壳在陆壳下继续滑行并最终俯冲进入地幔。

现在我们所见到的地壳是脆性易破裂的，但是早期的地球比现在的温度要高，它的地壳是有一定粘性的。这样的地球如何破裂出它的第一个板块？大量的计算机模型试图模拟出能够自然发生破裂的条件，但是到现在也没有人能够获得成功。

有可能是在地壳下面有一个炙热的地幔柱爆发，在地球上凿出来了第一个孔。也有可能是一颗小行星或者彗星的到来，穿过地球粘性的表面，并引发一系列链式反应而制造出了第一块活动板块（如图）。

另一个巨大未知之谜就是，这些都是在什么时候发生的呢？当一个新的大洋中脊出现后，因为洋壳俯冲的缘故，经过2亿年左右的时间，洋中脊周围的洋壳就会被破坏，所以现在很少见到古老的洋壳记录。尽管如此，还是有极少量的洋壳躲过了俯冲的破坏而成为我们研究的线索。“蛇绿岩带”是古洋壳上的一个狭长条带，它在俯冲区中并不像大部分洋壳那样俯冲到陆壳之下，而是经常被推覆到陆壳的上方，这样它就躲过了俯冲进地幔的命运而保留下来。最近的一个研究结果显示，在格陵兰岛的一个蛇绿岩带出现在38亿年之前，这是目前发现的最古老的板块移动的证据。

关于最初板块的形成，即便获得再精确的数据，它也仅仅是再次展示我们地球的过去。它的现实意义则更重要。板块运动带动了水、碳和氮的循环，正是这些共同创造了一个适宜生命存在的环境。板块运动也在合适的温度压力下，通过挤压和烘烤岩石创造出许多石油、天然气和其他矿床。火山作用向大气释放大量二氧化碳，而板块运动又将这些二氧化碳带回地幔，二者共同作用使地球的气候保持稳定（见“为什么地球的气候会保持稳定”一节）。

板块的运动也会导致海洋的开和闭；山脉的升和降；陆地的汇聚和开裂。每隔5~7亿年，板块运动都会使大陆重新汇聚在一起，形成一个超级大陆。距离现在最近的超级大陆——盘古大陆(Pangaea)，出现在2.5亿年之前，而从现在起大概再过2.5亿年，我们现在看到的这些大陆可能会再次汇聚在一起，形成一个新的超级大陆。

当这些超级大陆慢慢裂解的时候，会产生新的不同大陆和大陆之间的浅海。而此时生物进化就会进入快车道，形成无数新的物种，这些新的物种也同时占据了这些新出现的聚居地。

事实上，当地球变冷，地幔对流变弱到不能推动板块运动的时候，岩石圈的循环作用就会停止。没有人确切地知道板块运动已经运行了多久，也没有人知道它是否会在太阳毁灭地球前停止。但是我们不必担心这个问题：等它发生的时候，人类在这个星球上早就变成很遥远的记忆了。

5. 地球的中心是什么？(by Kate Ravilious)

一个字：铁。但是并不是知道这样就完了，关于地核还有很多需要了解，比如地核是什么样子的？它是怎么产生的？

我们知道，地核是从距离地表2890千米的地方往下到地球的中心，直径大概有6800千米。地核由两层组成，一个是熔融的铁的外核，一个是固态的内核。内核主要由镍和铁组成，大概跟月球的大小相当。

最早期的地球并没有一个很有秩序的结构，它只是一团混沌的物质。是经过一段时期的分异和浓缩，渐渐地分离出一些最重的元素，主要是铁，还有一小部分的镍，这些元素聚集到地球的中心形成了地核。

而具体的这些事情是什么时候发生的，怎么发生的依然有很大的争论。一种观点认为，这些事情是瞬间发生的，大量物质一下子聚集到地球的中心。而另一种观点则认为，这些铁是缓缓地聚集到一起的。通过对来自地球深处的火山岩进行放射性同位素检测发现，地核大概形成于地球形成之后3000万到1亿年之间。熔融的铁内核进行旋涡式的转动，到大概35亿年前，形成了地球的磁场。同时地核中心不断降温，到了大概15亿年前，地核的中心开始结晶，形成了 一个固体的内核。

有一个关于地核的谜直到最近才被解决。一直以来，人们发现地震波穿过地核的时候，穿过东半核比穿过西半核要快，但是长久以来没有人知道为什么。经过长期的研究发现，这极有可能是因为液态的外核在旋转时，会从接触的地幔中拖曳一些温度较低的物质站在地核的内核上。而在过去3亿年间，大部分铁漩涡都出现在亚洲的下面，这就导致内核的东半边比西半边厚了100多公里。(译者注：这里不是简单的厚度大，传播所需的时间就长，否则应该是西边比东边快。地球内核最上面的100公里受一条东-西分界线的影响：地震波在东半球比在西半球传播更快，衰减更严重，西半球比东半球更为多向异性（即地震波在不同方向上以不同速度传播）。现在，Aubert等人发现，一个将热化学对流和“发电机作用”（dynamo action）考虑进去的模型，能够通过生成一个大尺度的、长期的外核流（这个外核流将内核的异质性与低层地幔的异质性耦合在了一起）来解释这些效应。)

因为地球的磁场是地核外核的对流所产生的，所以这些变化可以用来解释地球磁场的一些异常现象。一些科学家认为，就是因为地核内核的不正常的增长，导致了地磁场的不稳定，发生磁场紊乱、地磁南北极调换等现象。而这些地磁异常现象在地球历史上发生了很多次，一旦发生，我们的地球会处在一个完全不受保护的危险境地。大量由太阳发射的高能粒子风暴（例如太阳风）会极大地影响地球和地球上的生命。轻的会影响我们的电子设备、通讯系统等，严重的会威胁我们的生命安全。那么，这些事情下一次会在什么时候发生呢？无人知晓。

6. 地球的气候为什么能保持稳定？(by Richard Lovett)

最初，地球并不是太阳系中唯一有水的星球。火星和金星都显示出它们曾经有过湿润的年代，但是随着环境的变化，它们失去了自己的海洋。那么地球是怎样摆脱了类似的命运呢？

我们地球上的气候非常稳定，在过去的40亿年间，一直适宜生存并且变化不大。之所以能够保持这样的状态，关键就在于板块运动、二氧化碳和海洋的相互作用（见下文关于“地球的空调”内容）。

地球的水气循环从火山活动开始，火山向大气释放大量二氧化碳，而这些二氧化碳有助于我们的地球保持较高的温度——从这个角度讲，我们不得不感谢温室效应。温暖的气候会使海水蒸发，形成云和雨。而雨水会溶解大气中的二氧化碳，这使它具有一定的酸性，当雨水落下时会和地球表面的岩石发生反应而溶解一部分含碳矿物。

这些溶解有矿物质的水通过河流等流入海洋，在海洋中这些矿物重新结合并沉积在海床上形成新的含碳岩类。经过漫长的地质时期，板块运动会通过俯冲把这些岩石带入地幔，而二氧化碳会重新从岩石中分异出来，并再次通过火山作用进入大气。

这样的一个循环对地球来说是一个相当有用的“空调”。当地球温度高了，降雨就会增加，那么就会更快地溶解大气中的二氧化碳然后转移到海洋中，从而减弱温室效应，为地球起到降温的作用。如果地球温度低了，降雨就会减少，更多火山带来的二氧化碳就会留在大气中，加强温室效应，为地球起到升温的作用。

金星和火星在其早期阶段可能有类似的“空调”。金星距离太阳太近，所以太多的热量会使它的“空调”超负荷。高的温度使金星大气中的水蒸气含量很高，而水蒸气作为另一种重要的温室气体，必然导致金星的温度进一步升高。这些因素叠加使得金星的温度升高到一定程度，结果把它的海洋给蒸干了。同时，太阳的强辐射会把金星大气中的水分解成氢和氧，而质量很轻的氢原子很容易逃逸到太空中。最终，金星彻底失去了对“空调”的控制。

火星则是另一种情况，因为它太小了，所以无法维持其“空调”的运行。首先，相对较小的引力导致它很难留住大气中的温室气体。其次，跟地球相比火星的表面积相对于它的体积而言过大，这就导致它的地核很快就冷却下来。这么一来，板块运动就无从谈起，进而失去了最重要的二氧化碳来源。

冷却的地核使火星也失去了磁场——只有活动的地核才能产生。没有磁场保护，火星完全处在太阳射线之中。就像在金星上发生的那样，水被分解成氢和氧，氢逃逸到太空中，于是火星也失去了自己的水。

月球的存在也为地球的气候保持宜居起到了重要作用。地轴小范围的摆动都有可能导致形成冰期，而月球恰恰减弱了地轴的摆动。因此，地球上的任何一次冰期都无法和火星相比——因为受到木星引力的影响，火星经常猛地改变自己的倾斜方向。

地球上的生命也参与其中。很多海洋生物都能利用海水中溶解的二氧化碳形成自己的骨骼或者碳酸钙外壳。等它们死后，这些骨骼和外壳会沉到海底形成新的含碳岩类。如果大气中的二氧化碳含量升高，这一过程也会加快，把新增的二氧化碳转入海洋。这样就可以减少大气二氧化碳含量并降低温度。

当然，现在人类也在中间起到重要作用。我们燃烧化石燃料释放大量二氧化碳，这对地球气候产生的影响可能会持续好几百万年，或许到最后，地球的“空调”能够把一切恢复。但是，谁也不能保证一定能行。金星和火星也都曾经宜居过，但它们现在却回不到那种状态了。也许我们应该留心它们留给我们的警示，珍视并善待地球对我们的慷慨赠予。

7. 我们能够预报地震和火山爆发吗？(by Kate Ravilious)

火山爆发和地震让我们更加确信地球是由一些躁动的运动板块所构成的。因为大部分的断层和火山都出现在板块边缘，所以预测出他们会在哪里发生是比较简单的事情。对于那些居住在这些地区的人来说，很不幸的是，想知道地震和火山什么时候发生，还是很复杂的。

根据过去所发生的事件，科学家预测未来长期一段时间内某地发生地震和火山爆发概率，并没有太大问题。比如，居住在洛杉矶湾地区的人都知道，在未来30年内，他们有62%的可能会遇到一次大的地震。而提前几秒的短期预警，现在也变得可能。日本最近开发了一套这样的系统，可以在地震发生前几秒发出预警，为人们争取一点点时间以便跑到外面或者钻到桌子下面。

显然，提前几秒钟都可以拯救不少生命。那么如果能够提前几天或者几周预警，让人们有时间撤离危险区域，岂不是更加有效？当然，前提是地球能够提前几天或者几周给出地震的先兆，遗憾的是，至今没有人能够找到这些信息。

关于地震预报的主要潮流包括：模拟特定断层的挤压和拉张，通过断层最近的移动预计下一次移动，卫星监测地面运动等。此外，一些研究者相信一些大的地震前夕，大气边缘会产生电流扰动，而这可以作为一种预测地震的手段。这个观点认为，因为压力变化而引起的地震会导致岩石的压力增加，压力的增加就会诱导大气中电流的出现。还有一些人提出地震前会释放一定的氡气，利用捕捉氡气可以预报地震。也有人认为可以利用卫星监测地表温度变化，以及电磁场变化来预报地震。更有人建议利用观察断层出现的奇怪形状的云来预报地震。

精确预报地震依然有很大距离，但是预报火山爆发已经变得可能。最近，对火山爆发前兆的破译工作取得了很大进展，并且已经成功地指导了几次成功的撤离。比如，在1991年6月菲律宾宾那杜部火山(Pinatubo)喷发前三个月，科学家已经探测到它侧面的颤动。紧接着，火山开始蒸发水汽并向外喷发尘云。当火山活动进一步加剧的时候，政府命令约6万人进行了撤离，拯救了数以万计的生命。

然而并不是所有的火山都能表现出这么明显的前兆，所以即便是很小的征兆也能够为我们所用。海洋中细微的声音变化就被成功地用于预测2006年7月和2007年4月印度洋上留尼旺岛（Réunion）上Piton de la Fournais火山的爆发。海洋拍击海底会产生一种低频的地震波，一些负责监听这种地震波的科学家发现，当火山即将爆发的时候，声波穿过岩浆房的速度会减慢。基于这种观察，当地的人可以提前几天得知火山即将爆发，并及时撤离。

留心天气变化同样可以获得火山爆发的预警信息。巴普洛夫（Pavlof）是阿拉斯加半岛的一座活火山，每年的秋天和冬天它都活动得很剧烈。一种解释认为，每年的这个时候，风暴导致水面上涨到火山周围，这些水就会像挤牙膏那样把岩浆挤压出通道。还有一种观点认为是气候变化导致了这样的结果。融化的冰水层和上升的海平面会改变地震断层和沿海火山侧部的负载，从而引发地震或者火山爆发。

比较严重的潜在威胁是超级火山的爆发。最近一次超级火山爆发出现在7万5千年前，这次爆发把地球带入了持续数百年的火山严冬，直接导致地球上人口锐减了60%（译者注：超级火山释放出大量二氧化硫，这些二氧化硫被氧化，并与空气中水结合成硫酸小液滴，这些硫酸小液滴会阻碍阳光照射，因此地球会大幅降温，进入火山严冬）。

超级火山每隔数十万年就会爆发一次，所以下一次的爆发也正在到来。在怀俄明的黄石公园和意大利南部的Campi Flegrei 有两个监测点负责监测它，但是没有人知道它什么时候就会到来。这可能反而是件好事，因为即使我们知道它什么时候到来，我们对它也束手无策。