地球：宇宙中的一顆幸運行星

吳再豐

人類在探索宇宙的過程中，始終在尋找一顆能夠代替地球適合我們生存的星球。然而，不管是火星、月球或是木衛(wèi)二，似乎都滿足不了人類的生存條件。迄今人類只有一個地球。

眾所周知，半徑十光年以內的行星中唯有地球存在生命。地球是一顆十分幸運的行星，要知道在銀河系中孕育生命行星的幾率只有數百億分之一。地球緣何能脫穎而出，成為孕育生命的幸運行星呢？

水是生命之源

地球成為生命之星的必要條件是什么呢？眾多科學家看法一致，認為穩(wěn)定存在的液態(tài)水是必不可缺的條件之一，至少對地球的生命而言。

地球上最早的生命誕生在海洋，例如深海熱泉噴出孔的周邊就是生命的搖籃，如果沒有液態(tài)水，地球就不可能誕生生命。地球上幾乎所有生命的體重六成以上是水，并因水才得以維系生命?！八笔怯蓺?、氧兩種元素組成的無機物，宇宙中制造水分子氧和氫的物質非常多。

如果沒有水，地球的生命就不復存在。例如制造生命體細胞的細胞膜，假如沒有水的“極性”，則立刻四分五裂。另外，水大體上可以溶解一般物質，包括生命活動所必需的物質，這些物質能夠在生物體中順利移動。也就是說，生命活動是通過復雜的化學反應和積累來維持的，但是這一切幾乎都是在水的參與下進行的。

水還具有調節(jié)地球環(huán)境的作用。

首先，水的比熱比大部分物質要大得多，因此水的溫度變化相對較小。所謂“比熱”是指每克物質溫度升高一攝氏度所需要的熱量。水的這一特性對穩(wěn)定行星氣候起到了不可或缺的作用。

其次，海水可以通過海流傳導熱。假定地球上存在的水量少，海的面積必然會縮小，也不會連結成一體，因此海流就不可能像現在一樣在高低緯度地區(qū)之間往來自如，從而不能進行熱的傳導。海流運動造成地球高低緯度地區(qū)溫差不大，最終誕生了生命并成為人類宜居的星球。

夜與晝·春夏秋冬

行星的自轉周期，是由行星誕生時的偶然因素所決定的。地球大約每24小時自轉一圈，而火星則每24小時37分自轉一圈，水星的自轉周期是58天，金星的自轉周期是243天。也許有人問：如果地球的自轉速度比現在慢得多，那會發(fā)生什么樣的情況？

假定地球的自轉是一年轉一圈，也就是說，地球在繞太陽公轉一圈的同時其本身也自轉一圈，結果便是一側半球始終對著太陽，總是“白晝”，另一側半球則始終沒有陽光，總是“黑夜”。

在晝側半球，水逐漸被蒸干，而蒸發(fā)的水又隨著氣流被輸送到夜側半球；在夜側半球，從晝側半球輸送來的水蒸汽變成雪堆積在地面，且難以融化，不久便變成了冰川，結果是晝側半球被沙漠覆蓋，夜側半球則覆蓋著巨大的冰原，晝夜兩半球之間的溫差懸殊。

值得注意的是，在晝夜兩側交匯處的冰河端，自然有融化的液體水存在，因而部分得益于這個液體水的晝側半球也就很有可能存在生命活動。不過，生命在這樣的行星上活動會受到地域的局限。

地球的自轉速度決定著地球上的晝夜時長，而地球自轉軸的傾斜度則決定著地球上的四季變換。

所謂“傾斜度”，是指地球自轉軸（貫穿南北的直線）相對地球公轉面產生的傾斜角度。如今地球自轉軸的傾斜度是23.4度。隨著地球的公轉和自轉運動，地球上不同地區(qū)受太陽光照的程度也發(fā)生變化，由此形成了春夏秋冬四季。太陽高度上升時期，光照時間變長，氣溫也隨之上升，稱為“夏季”；太陽高度下降時期，光照時間變短，氣溫也隨之降低，則稱為“冬季”。

其實，地球自轉軸的傾斜度并非恒定在23.4度，嚴格地說有正負一度的變化。打個比方說吧，由于受金星、木星等其他天體引力的影響，行星自轉軸的傾斜變化，就好像旋轉后即將要停下來時作擺頭運動的陀螺，其自轉軸會有變化但變化的幅度并不大。

相比地球，火星自轉軸傾斜度的變化更大（現為25.2度）。按計算，它大體上以數萬年的周期反復作正負10度的變化；自轉軸豎立時，其傾斜度大約為10度，橫向時則為60度左右。所以，專家們認為在自轉軸傾斜度變化大的火星上，理應發(fā)生幾次大規(guī)模的氣候變化。

火星現在并不存在液態(tài)水。不過，它仍保持著很多因水流動形成的地形，因而有專家也就從理論上將形成這樣的地形歸結為火星自轉軸變化之故，即自轉軸的變化使它們融化后產生水流的地形。

同樣道理，如果地球自轉軸傾斜度為10度的話，低緯度與高緯度地區(qū)的溫差就會比現在大，這樣北極、南極的冰層可能會加厚；假如傾斜度為60度，那么在地球赤道附近一年間接收到的太陽光量就會比極地還要少，因而有可能會在赤道形成冰河或冰海。

如此看來，這樣的氣候變化，如果以10萬年的周期循環(huán)往復，對生命而言，地球將是一顆生存困難的行星。但是，在太陽系行星誕生之后，地球身旁出現了一個碩大的月球，情況就不一樣了。

月球的半徑是地球半徑的四分之一多一點（1738千米），與太陽系其他行星的衛(wèi)星相比，它對行星的影響更大。這主要是月球所引起的巨大的潮汐力，使得地球自身的擺頭運動與其他天體運動（重力）不產生諧振（而火星就是因為自身擺頭運動與其他天體的重力產生諧振，才使自轉軸的傾斜度發(fā)生很大變化），這就為地球上生命的生存環(huán)境創(chuàng)造了有利條件。

倘若沒有月球，情況就糟了。假定地球自轉軸像天王星一樣呈90度傾斜，即自轉軸幾乎躺倒在公轉面上，結果便是太陽夏天不落下，冬天不升起。這與現在的地球相比，夏天更熱，冬天更冷，環(huán)境更為惡劣、嚴酷。

悄然失蹤的二氧化碳

二氧化碳是具有“溫室效應”的氣體。行星的氣溫，很大程度上取決于二氧化碳的濃度。在地球誕生時，地球的大氣壓跟金星差不多，是如今的90倍，并且大氣中含有大量的二氧化碳。但是，現在地球的大氣壓是一個氣壓，二氧化碳在其中所占的比例不過是0.04%。那么過去理應有的大量的二氧化碳到底去哪里了？

首先的去向是海洋。專家認為：“在地球誕生的過程中，由水蒸汽、氫、一氧化碳和二氧化碳構成了大約數百個氣壓的大氣。氫逃逸到宇宙空間，一氧化碳變?yōu)槎趸?。在大氣冷卻構成海的同時，大量二氧化碳被海吸收，作為碳酸鈣沉淀。粗略估計大氣壓降到十個氣壓以下?！?/p>

其次是溶于雨水，變成碳酸溶于陸地。地質史表明，遠在25億年前，地球上就曾有過第一次大冰期，此后又經歷過六次大冰期，在此過程中大氣中的二氧化碳含量明顯減少。如果二氧化碳沒有充分減少，地球將會因二氧化碳的“溫室效應”變成像金星那樣“灼熱的地獄”。

地球大氣中除二氧化碳之外，還有約20%的氧，但火星和金星的大氣中幾乎不含氧，就這一點足以證明地球是特殊的行星。氧的存在是植物或藻類光合作用的結果。最初制造氧的生物，是被稱為“藍藻”的原核生物。

藍藻誕生的年代并不清楚，但是大氣中的氧濃度開始急速上升是在大約22億年前。在那個年代，整個地球還處在被冰覆蓋的凍結狀態(tài)。對于這一時期氧濃度急速上升的原因，專家是這樣解釋的：當時全球被冰凍結，凍結深度至多達1000米，但深海并沒有被凍上。深海的熱泉噴出孔釋放磷等營養(yǎng)素，海水中富集了大量營養(yǎng)素。冰融化時勉強存活的藍藻通過豐富的營養(yǎng)迅速大量繁殖，并通過活躍的光合作用使大氣中氧的濃度急速上升。這樣地球就成為富含氧的行星了。

除氧氣之外，地球大氣中還有臭氧層?！俺粞酢笔侨齻€氧原子結合的分子（通常的氧是兩個氧原子）。波長較短的紫外線照射大氣中的氧分子，氧分子被分解為兩個氧原子，于是氧原子與其他氧分子結合，構成三個氧原子的臭氧。

大約在22億年前，當時大氣中的氧濃度不太高，紫外線到達地表附近，臭氧在地表附近生成，因此地表附近的臭氧濃度最高。到了6億年前，臭氧集中在距地面20千米左右的區(qū)域，聚集成為“臭氧層”。

當時氧濃度急速上升，臭氧的生成在上空進行。已構成的臭氧吸收波長較長的紫外線，自身又被分解為氧分子與氧原子。這樣的過程反復多次，大部分有害的紫外線就到達不了地面，從而使地球初步具備了讓生物從海里登陸的環(huán)境，最后大約在4億年前植物和脊椎動物都開始在陸地上生存。

假如沒有板塊運動和磁場

地球的氣候反復變化，但從宏觀上看，它基本維持在液態(tài)水可能存在的溫度。維持這個溫度的“功臣”就是地球表面的板塊運動，因為它能自動調節(jié)對地球氣溫起決定性作用的二氧化碳的濃度。從這個意義上說，地球是“天然的空調器”。

研究表明，如果二氧化碳在大氣中的含量超過現在含量的0.03%，地球就會增溫，反之會導致全球氣候變冷，形成冰期。但是，無論大氣中二氧化碳的含量如何，地球板塊運動所引起的火山活動，都會穩(wěn)定控制著大氣中二氧化碳的含量。倘若地球溫度高，火山活動產生的二氧化碳供給量小于大氣中減少的二氧化碳含量，會造成二氧化碳濃度下降，氣溫也隨之下降，相應地大氣中二氧化碳減少量趨緩。不久二氧化碳的供給量與減少量平衡，氣溫趨于穩(wěn)定。

相反，在地球氣溫較低的情況下，火山活動產生的二氧化碳供給量超過從大氣中減少的二氧化碳量，結果是二氧化碳濃度上升，氣溫上升，從而使大氣中的二氧化碳含量增加。不久二氧化碳的供給與減少平衡，氣溫趨于穩(wěn)定。

正因為板塊運動使地球的火山活動不斷地在板塊的沉入帶或洋中脊等各種場所發(fā)生，穩(wěn)定供給二氧化碳，從而使地球的溫度相對平衡。如果火山活動停止，二氧化碳供給中斷，整個地球必將被冰凍。

此外，地球磁場也構造了人類在地球上生存不可缺少的屏障。外核在地球內部發(fā)生著激烈對抗，通過外核對流產生的地球磁場，包圍著整個地球，使人類免受太陽有害射線的照射。在靠近太陽的一側，該屏蔽的厚度是地球半徑的十倍，在另一側則達到數百倍。我們稱這個屏蔽為“磁層”。

磁層防止太陽風傾注到地球。太陽風包含的射線對生命是有害的，而且具有破壞行星大氣層的作用。如果太陽風傾注到地球，地球不可能有維持生命活動的環(huán)境。太陽風大多是失去電子的氫原子（質子），帶正電荷。正是因為磁層的存在，帶電粒子在進入磁場時因為前進的路線被彎曲而大多偏離地球而去，保證了地球免遭侵害。

地球具有磁場是因為電流流過地球內部的液態(tài)外金屬核。如果整個核冷卻凝固，磁場也就消失了。所以說“外核正在做對流”以及“磁層屏蔽”是孕育生命所必需的。

宇宙只有一顆幸運行星。

人類只有一個地球。如果不好好地保護環(huán)境、珍愛地球，也許人類就再也找不到下一個“家園”了。