世界地球日| 一个星球要想孕育出生命,是件极端困难的事情……

世界地球日(Earth Day)即每年的4月22日,是一个专为世界环境保护而设立的节日,旨在提高民众对于现有环境问题的意识,并动员民众参与到环保运动中,通过绿色低碳生活,改善地球的整体环境。

现今,地球日的庆祝活动已发展至全球192个国家,每年有超过10亿人参与其中,使其成为世界上最大的民间环保节日。

世界地球日| 一个星球要想孕育出生命,是件极端困难的事情……

就目前所知,地球是唯一一个拥有生命的星球。在危机四伏、到处都是不毛之地的宇宙中,居然还存在一个如此美丽而生机勃勃的绿洲,实在是一个不折不扣的奇迹。

事实上,一个星球要想孕育出生命,是件极端困难的事情。不说其他因素,仅对这个星球本身而言,就必须同时满足以下三个条件:

第一,它必须有一个合适的质量,不能太小也不能太大。如果质量太小,它就无法靠自身引力阻止周围气体的逃逸,从而变成一颗没有大气层环绕的岩石星球;如果质量太大(比如超过地球质量的 10 倍),它就会吸引太多的气体,从而变成一颗气体行星。在这两种情况下,生命都无法生存。

第二,它必须处于一个合适的位置,与恒星离得不能太近也不能太远。如果离得太近,星球的表面温度就会很高,让所有的水都变成水蒸气;如果离得太远,星球的表面温度就会很低,让所有的水都变成冰。换句话说,要想保证液态水的存在,这个星球必须位于一个狭小的圆环区域内,这就是所谓的宜居带。事实上,如果地球离太阳再远 5%,或者再近 15%,就会从这个宜居带里掉出去。

第三,它必须有一个合适的内部活跃程度,不能太平静也不能太剧烈。如果内部活动太平静,就不会产生地质活动,也无法形成大气和磁场;如果内部活动太剧烈,地震和火山就会持续不断地爆发,把这个星球变成一个活生生的地狱。

在接着讲地球为何是生命绿洲之前,我想先谈一个比较理论、也比较前沿的话题。

事实上,没有任何一个科学理论能决定一个星球的初始状态。换句话说,一个星球的质量、位置和内部活跃程度应该是完全随机的。既然如此,为什么地球能完美地满足这三大条件呢?

最早回答这个问题的人,是澳大利亚裔物理学家布兰登·卡特。如果你以前看过霍金《时间简史》,应该会对这个名字有印象。事实上,卡特是英国物理学家霍金的同门师弟,并且与霍金一起提出了著名的黑洞无毛发定理。

1973 年,卡特参加了一个纪念哥白尼 500 周年诞辰的学术研讨会。在这次研讨会上,他提出了一个影响深远的理论,那就是著名的人择原理。人择原理说的是,如果一个自然现象无法产生任何观察者,那么这个现象就不可能被观察到。

这意味着,追问不可能被观察到的现象为什么不存在,是一件没有意义的事情。有了人择原理,前面说的那个问题立刻就迎刃而解了。如果地球不满足这三大条件,地球上就不可能出现生命,也就不会出现像我们这样的智能生命来追问这个问题。换句话说,我们能追问这个问题,这本身就是这个问题的答案。

正是由于有合适的质量、位置和内部活跃程度,地球才得以长期拥有使她变成生命绿洲的三大要素,也就是海洋、大气和磁场。

让我们从地球的海洋说起。就目前所知,地球是独一无二的表面拥有液态水的星球。据科学家估算,地球拥有的总水量约为 13.76 亿立方千米,其中海水总量约为 13.35 亿立方千米,大概占地球总水量的 97%。一般来说,海水会吸收波长较长的红光、橙光和黄光,而反射或散射波长较短的绿光和蓝光,这会让大海看起来是蓝色的。由于海洋面积大概占地球总表面积的 75%,所以人们经常把地球称为蓝色星球。

众所周知,水是生命之源。现在有很多生物,没有氧气和阳光也能生活下去;但没有发现任何一种生物,能在没有水的情况下生存。事实上,地球上最早的生命,就诞生在海水之中。原因很简单。对于蛋白质之类的有机大分子而言,水是最好的溶剂。正是在液态水的环境中,这些有机大分子才可以互相混合,进而通过各种化学反应来形成复杂的结构,最终演化成真正的生命体。此外,水也是生命的很多新陈代谢活动的基础。举个例子,如果没有水,光合作用和呼吸作用就都无法再进行下去。从这个意义上讲,液态水是生命活动不可或缺的舞台。所以,地球能拥有液态水的海洋,实在是地球生命的福音。

但是,仅仅拥有海洋,还是远远不够的。因为在任何温度下,水都可以蒸发。举个例子。你要是把一盆水放在地上,时间长了,你就会发现这盆水变得越来越少,最后甚至完全消失。这是因为液态的水自发地变成了气态的水蒸气。同样的道理,海洋里的水,也会自发地变成水蒸气。如果没有其他因素阻止,这些水蒸气就会逃逸到太空中;久而久之,地球上的海洋全都会干涸。

幸好,地球拥有阻止水蒸气逃逸的机制,那就是地球的大气。

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大气的组成

众所周知,地球拥有一个大气层,也就是受地球引力吸引而环绕地球的一层混合气体。据科学家估算,这层混合气体的总质量约为 5.15×1018千克,其中包含质量分数大约78%的氮气和21%的氧气,此外还包括氩气和二氧化碳在内的少量其他气体。

事实上,正是这个大气层阻止了水蒸气的逃逸。由于大气层的温度较低,水蒸气进入大气层以后,会遇冷而凝结成小水滴,然后再以降雨的形式返回地表。如果地球没有大气,这个水循环就会被打破;久而久之,地球表面的水就会蒸发殆尽。

事实上,地球大气还有很多其他的重要功能。比如说,地球大气中还含有一些温室气体,包括二氧化碳、水蒸气、甲烷和臭氧。温室气体最大的特点是,对波长较短的电磁波几乎没什么影响,而对波长较长的电磁波有很强的吸收能力。太阳表面的温度很高,辐射出来的电磁波能量高波长短,所以不会受到温室气体的阻碍,能顺利到达地球表面。而地球表面的温度较低,辐射出来的电磁波能量低波长长,所以会有很大一部分被温室气体拦截下来。因此,温室气体的存在能让行星表面的温度升高,这就是所谓的温室效应。据科学家估算,如果没有温室效应,地球表面的平均温度大概会下降 32℃。

此外,地球大气层中还有一个臭氧层,大致分布在与地球表面相距 20 ~ 30千米的环形区域。臭氧层能吸收掉太阳光中 97% 的紫外线。如果没有这个臭氧层,这些高能的紫外线就会直接照射到地球表面,从而对地球生命造成严重的威胁。不是什么天体都能拥有大气层。比如说,我们熟悉的月球就没有。那到底什么样的天体能拥有自己的大气层呢?这取决于它的质量和它与太阳之间的距离。一方面,大气会受到这个天体引力的吸引,从而被束缚在此天体的周围。引力束缚的强弱取决于天体的质量:质量越大,引力的束缚就越强。另一方面,大气又会从太阳那里获得热量,从而产生逃跑的动力。逃跑动力的大小取决于天体与太阳之间的距离:离得越近,大气逃跑的动力就越强。这两股力量一直在彼此斗争。如果引力的束缚占了上峰,行星就能拥有自己的大气层;如果逃跑的动力占了上峰,行星就会变成光秃秃的样子。我们的地球能拥有大气层,就是地球引力占上峰的结果。不过,只是引力占上峰,还不足以让一个天体一直保有大气层。地球之所以能一直保有大气层,是因为它还有一个强大的磁场。

地球磁场其实是一个从地球内部一直延伸到太空中的巨大磁场。中国古代四大发明之一的指南针之所以能够辨别方向,就是由于这个地球磁场的存在。不过,地球磁场的磁轴与地球的自转轴并不重合,两者之间还存在着一个 11 度的夹角。

此外,地球磁场的南北极其实与地理上的南北极相反。

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地球的磁场

地球磁场最主要的作用是抵御太阳风。太阳风是太阳发出的高能带电粒子流,主要由处于电离状态的氢和氦(也就是去掉外层电子的氢原子核和氦原子核)构成。由于这些带电粒子流具有很高的能量,地球的大气层无法阻止太阳风的长驱直入。所以,要是没有别的东西来阻止它,太阳风就会一直刮到地表,对地球生命造成严重威胁。

幸好,地球有强大的磁场。众所周知,在磁场中,带电粒子的运动轨道会发生偏转。因此,地球磁场能迫使太阳风中的高能带电粒子朝地球两极的方向发生偏转。到了两极地区,这些带电粒子会与位于高层的大气分子发生碰撞,从而形成美丽的极光。

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更重要的是,地球磁场阻止了太阳风剥离地球大气。如果太阳风能直接轰击到地球大气层,这些高能带电粒子就会把自身的能量传递给地球的大气分子,从而让它们可以挣脱地球引力并逃逸到太空中。久而久之,地球的大气层就会被太阳风逐渐剥离。幸好,地球磁场构筑了一个天然的屏障,有效地阻止了太阳风与地球大气的直接接触。这样一来,地球引力就可以牢牢地束缚住大气分子,从而让地球一直保有自己的大气层。

我们来做个总结。就目前所知,地球是唯一一个拥有生命的星球。由于有合适的质量、位置和内部活跃程度,地球得以长期拥有海洋、大气和磁场。海洋为生命的诞生提供了舞台,大气阻止了海洋的蒸发,而磁场保证了大气不会被太阳风剥离。正是由于这三大要素,地球才成为了一个美丽的生命绿洲。

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