新聞背景
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(yùn)送火石的車輛暢行無阻。為什么電影里面會有這種設(shè)定?地球上曾出現(xiàn)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(fā)動機(jī)的推動下逐漸遠(yuǎn)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(xiàn)在的地球反而是個異類。
太陽占太陽系總質(zhì)量的99.86%,也是太陽系最大的產(chǎn)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(dá)427℃。而在遠(yuǎn)離太陽的地方,則溫度很低,連氮?dú)舛紩兂晒腆w(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(zhì)星球(主要成分是固態(tài)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(zhì)星球。地球最特殊的地方在于它的位置,距離太陽不近不遠(yuǎn),很適中,恰好位于生命的宜居帶。在宜居帶內(nèi),溫度適中,有著濃密大氣的地球可以存在大量的地表液態(tài)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(jù)科學(xué)家估計,其內(nèi)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(tài)水要么會蒸發(fā),要么會凝固成冰,不再適合復(fù)雜生物的生存。在《流浪地球》中,當(dāng)?shù)厍蚪咏拘堑臅r候,距離太陽已經(jīng)5.2個天文單位了,所以地表的液態(tài)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(fā)現(xiàn)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(jìn)入了黑暗的世界。這里離太陽非常遙遠(yuǎn),已經(jīng)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(fā)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(dāng)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(qiáng),溫度越高。而大氣的作用,則是讓地球維持較為穩(wěn)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(xiàn)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(xiàn)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(yīng)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(xiàn)在還要高一些,足以保證液態(tài)水的存在,讓早期生命得以形成和發(fā)展。但是,隨著生命的演化,出現(xiàn)了光合作用,氧氣作為代謝物被排放到大氣中。氧氣的出現(xiàn),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(xiàn)雪球事件。地球上第一次雪球事件可能發(fā)生在29億年前的時候,但這次雪球事件的證據(jù)不多,是否真實發(fā)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(fā)生了一次更大規(guī)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(dá)到現(xiàn)今水平的1%至2%。據(jù)科學(xué)家估計,當(dāng)時地球冰封長達(dá)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(fā)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(jīng)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(nèi)部,大洋水汽很難達(dá)到,常年干旱,就像現(xiàn)在亞歐大陸的中部,如蒙古、中亞地區(qū)。但不久超大陸就發(fā)生了裂解,海洋入侵,內(nèi)陸地區(qū)降水增多,風(fēng)化作用增強(qiáng)。巖石的風(fēng)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(diào)節(jié)氣溫。
而在這個時候,太陽光照仍然比現(xiàn)在要弱6%,溫室氣體含量的降低必然導(dǎo)致了溫度的降低,冰雪逐漸從兩極向赤道擴(kuò)散,最終覆蓋全球。
3.危機(jī)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(jìn)一步加劇了嚴(yán)寒。那個時候,地球的平均溫度可能只有零下50℃,赤道地區(qū)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(yán)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(fā)熱液,就像現(xiàn)代海洋中的“黑煙囪”。在這些熱液溫泉附近,會有液態(tài)水的存在,噴發(fā)出的礦物質(zhì)、硫化物等也足以支撐一個小型的生物圈。這種現(xiàn)象在現(xiàn)代大洋的深處仍舊普遍存在??赡芫褪强恐@點(diǎn)能量,生命熬過了寒冬。但近年來的幾個新發(fā)現(xiàn)可能為我們深刻認(rèn)識極端環(huán)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(fā)現(xiàn)了種類繁多的細(xì)菌,甚至有魚、蝦等復(fù)雜生物?,F(xiàn)在科學(xué)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(yán)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(qiáng)地延續(xù)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(lán)藻和細(xì)菌的天下,其他類型的生物鮮有發(fā)展的機(jī)會。嚴(yán)寒幾乎完全破壞了這一切,造成了大量生態(tài)位的空出,為真核生物的發(fā)展提供了空間。
在雪球事件的后期,伴隨著強(qiáng)烈的地質(zhì)運(yùn)動,火山大量活動,噴出了大量的二氧化碳等溫室氣體。當(dāng)這些溫室氣體達(dá)到一定濃度后,氣溫慢慢回升,冰雪融化,大約在幾千年內(nèi)就消失殆盡了。冰雪融化形成的洪水,把大量的陸上礦物質(zhì)帶入海洋,為生物的繁盛提供了充足的營養(yǎng)保證。
冰雪過后,新舊交替,萬物更新,新的生命形式大爆發(fā)、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(diǎn)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(xiàn)今太陽中也有大約75%是氫。據(jù)此可以推測,在太陽系形成的時候,主要成分也應(yīng)該是氫元素。隨著太陽的形成,太陽系絕大部分物質(zhì)都集中到了太陽,而在太陽外,元素發(fā)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(zhì)行星,且僅有金星和地球的質(zhì)量足夠維持濃密的大氣,但質(zhì)量又不特別大,氫氣可能已經(jīng)逸散掉了。在遠(yuǎn)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(jīng)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(xiàn)在的大氣是經(jīng)過地球生物多年改造的結(jié)果。(賈斌)
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