地球是如何形成的？

地球使命

在探索了与我们一起围绕太阳旋转的荒凉而坚固的球体以及巨型气态行星之后，再回头从太空来看我们的地球，地球更像是一片令人愉悦的绿洲，在旋转中看上去就像蓝绿白相间的大理石。川流不息的水从它的表面流过，太阳那仁慈的辐射温柔地照耀着它的大气，大气里富含氮和氧，它就像是一层保护和养育的毛毯，覆盖着所有的东西。这是迄今为止已知的仅有一颗支持生命的行星——太空时代对太阳系的探索给我们提供了有益的信息，提醒我们认识这一支持生命的复杂系统有多么脆弱。

在20世纪后半叶，当地质学家、大气科学家、海洋学家和资源专家探索自然界各种起作用的因素时，他们利用了一种不断在增加范围的新工具，从比较行星学到放射性碳同位素测年法，再到计算机模拟和卫星测绘，追溯地球的历史和预测它的近期与远期未来。这些努力结合在一起构成了一项世界范围的使命，以探索我们地球之中难以理解的秘密。

从月亮上看到的地球升起。

从天上来看

自从苏联第一颗人造卫星在1957年成功上天以来，地球本身一直处于高空盘旋的各种人造卫星经常性的观测中。尽管许多是用于收集军事情报、商业目的和通信，也还有不少是用于研究地球环境和资源的。1972年发射了第一颗地球资源探测卫星，以后又发射了其他许多卫星。这些人造卫星以不同的轨道围绕地球运行，发现了地球的范艾伦辐射带、追踪海洋里的鱼群运动、揭示沙漠中失踪的古代道路和城市、显示植被的生长和污染分布。气象卫星给我们带来了准确的天气预报，再加上有关大气状态的重要信息，其中包括发现上同温层中存在的保护性臭氧层中一个正在增长的漏洞。资源图像卫星追踪全世界森林和谷物的变化，确定矿床的分布。海洋学家还运用卫星数据研究海洋的机制及其奔腾汹涌的巨流。

实事求是地说，太空时代不仅改变了人类生活的方式，而且帮助我们认清自身在宇宙中的地位。但也许我们对地球看法最为重大的改变来自20世纪中叶以来有关地壳的一系列大胆的新思想，它们得益于新工具和方法的使用。

美国航天局太空船队多次发射地球资源成像卫星和无数其他测量地球大气、海洋和地壳变化的卫星。

漂移中的大陆

我们对地壳认识的革命发生于20世纪五六十年代，这时地质学家提出一种思想，认为地壳破裂成好几个大的板块，这些板块会相对发生移动。这一思想的根源可以追溯到19世纪，当时美国纽约州有一位地质学家名叫霍尔（James Hall， 1811—1898），他注意到，环绕山区而积累的沉积物厚度至少要超过大陆内部地区10倍以上。从这一观测结果引出如下思想：在地球表面的大陆地壳极为古老，最初是褶皱的槽谷，随着沉积物的日积月累，才逐渐变硬、结块。

1908年到1912年之间，德国地质学家魏格纳（Alfred Lothar Wegener， 1880—1930）等人认识到，这些大陆经过漫长的时间，逐步分离、漂移，最终发生碰撞。碰撞挤压褶皱的槽谷，形成山峦地带。

魏格纳认为，各大陆边缘就像一张巨型拼图中的碎片相互可以匹配这一事实，强化了大陆漂移的概念。他还进一步指出，大西洋两侧——巴西和非洲——岩石形成的年龄、类型和结构相互匹配。它们还拥有相同的陆地生物化石，而这些生物不可能靠游泳远渡重洋。然而，并不是每个人都相信，特别是地球物理学家。

当代的故事就是从这里开始。英国地质学家布拉德爵士（Sir Edward Crisp Bullard，1907—1980）利用计算机进行分析，把这两个大陆拼凑在一起，证明完全吻合。然而，另外一些大洋边缘却并不具有同样明显的证据，特别是太平洋和印度洋周围。许多地质学家认为，沿着太平洋边缘，山脉仍然在形成之中，这就解释了在这些区域，为什么火山爆发以及地震频繁发生的原因。

20世纪20年代通过回声测量法研究海床，科学家有可能以新的精确度描绘和模拟海床，从而导致在世界范围内发现了大洋中延伸四万英里的洋脊，洋脊是19世纪大西洋海底电缆铺设者第一次发现的。但是在第二次世界大战后，海底地球物理学家采用军事空基磁强计，测量海床磁强和方　向的变化。这就导致美　国地质学家海尔兹勒（James Ransom Heirtzler， 1925—　）从洋脊的来回信号传递看出，洋脊两侧相互间互为镜像。

进一步研究是利用放射性同位素测年法，测量洋脊之顶的玄武岩的年龄和两侧间隙沉积物的年龄，表明洋脊顶部按地球历史看来极其年轻——大约只有　100万年的年龄　——离开洋脊两侧越远，地壳年龄越老，沉积层越厚。地球物理学家得出这一结论：北大西洋洋脊是新的大洋地壳生长点，两股力量在这里对流，滚烫的熔岩一接触到深海水时立即冷却。洋脊两侧的沉积层不断分离，北大西洋的分离速度大约每年0. 4英寸，而在太平洋几乎达每年2英寸。

这些由热对流驱动的相当缓慢的运动来　自地幔深处　，引起我们所谓的大陆漂移。与跨越非洲东部的东非大裂谷相连的洋底深处也有同样的巨大裂缝，正在漂移的非洲板块和阿拉伯板块在此碰撞和相互分离，从而产生被平行地质断层环绕的“洋底”。这是一个曾经被强烈火山活动严重影响的地方，向上移动的岩块形成突出的山肩，向下沉降的区域则产生巨大的凹陷，充水后变成非洲著名的湖，如图尔卡纳湖。

哥伦比亚大学的科学家在20世纪60年代完成了洋底的详细测绘，有鉴于此，赫斯（Harry Hess， 1906—1969）提出一个思想，认为新海洋地壳形成于裂缝处，与此同时，旧地壳沉入洋底的深沟中（有一个这样的深沟就位于太平洋的菲律宾群岛）。赫斯理论也称为海床扩展论，通过测量海洋底部挖掘的岩石年龄已得到验证。

地质学家把赫斯海床扩展论和大陆漂移理论综合成一个单一理论，叫做综合板块构造论（构造，意味着地壳的运动）。根据板块构造论，地壳分裂成好几大块，其中有些完全沉没在水中，还有一些则是大陆地壳的一部分。地质学家通过地震数据分析发现，在地壳之下30～80英里处有一层缓慢运动的流体层，正是它的移动造成了这些运动。板块运动，有时互相撞击，引起山峦、火山和断层带的形成，地震就是沿着这条带发生的。例如，有这样一个板块，其所在的地壳大部分处于太平洋底部；另一部分属于北美大陆，地壳的西部一半则位于大西洋下。

板块构造论解释了许多地质现象，诸如山峦的存在（被板块的重叠或者相挤而抬高）、火山和地震的位置（由于板块之间的张力）以及洋底沟谷的形成（由于板块相互分离）。

尽管有些地质学家开始并不接受这一理论，但是到20世纪80年代，已有可靠证据表明，板块正以预计的模式运动。该理论在预言地球表面的许多特性方面被证明是成功的。到了20世纪80年代，利用人造卫星（如LAGEOS）和激光测量，科学家能够测量板块的缓漫运动，大约为每年一英寸。

恐龙的灭绝

自从18世纪以来，地质学家一直就地球历史和它在漫长时间的演化进行激烈争论。某些颇具名望的18世纪和19世纪的地质学家和比较动物学家，包括生物学家居维叶和邦内特，都认为地球历史上一定发生过周期性的灾变。但是，他们没有太多的证据可以支持这一观点，不久他们的观点被另一种叫做“均变论”的理论推翻，均变论后来又被渐变论取代。渐变论得到了赫顿的工作和莱伊尔与达尔文周密的理论和著作的支持。渐变论主张地球的地质过程及生命体的进化经过了漫长的时间，其间决无突然的变化或者与过去的隔绝。尽管化石和地层都不支持这一假定，但这肯定是记录中某些环节缺失的缘故。

已经积累了足够的证据表明，地球上的恐龙王朝是在6500万年前终止的，当时有一场灾难横扫我们现在称之为尤卡坦半岛和墨西哥湾地区。其影响是把大量尘埃和烟雾送入大气中，粒子遮挡了太阳光， 引起地球上许多生命形式受到灾难性的破坏，其中包括恐龙的灭绝。

所以，当埃尔德瑞基和古尔德（Stephen Jay Gould， 1941—2002）在1972年提出“间断均衡”（punctuated equilibria）理论时，他们知道这必将引来一场争议。事实上，这一思想激励了这些年来对进化过程最激烈的争论。

埃尔德瑞基后来在20世纪80年代成为美国自然历史博物馆无脊椎动物部主席和主任，他对遍布美国东北部的三叶虫化石进行了系统的研究。三叶虫现在早已灭绝，它和小虾与螃蟹一样，体外附有甲壳，一边生长，一边脱落。因此可以想象，一只三叶虫在它的生命期中要脱落许多甲壳，不难找到其中的20来个甲壳化石，于是，三叶虫化石比恐龙之类的化石更容易找到。这位戴着眼镜、满脸胡须的瘦高个年轻人走遍了纽约州和俄亥俄州的北部边远地区和安大略的奥赛布尔河沿岸地区。他发现了极好的样本，许多都已有3. 5亿年的年龄。这些样本是在不同的地质层发现的，但是他找不到证据，能够证明三叶虫在这些地质层相当的时期里曾经发生过任何显著的变化。由于三叶虫化石比大多数无脊椎动物化石有更多的具体细节——它有眼睛、尾巴和背脊，因此埃尔德瑞基有可能做详细的比较，运用显微镜测量眼睛之间的距离、眼睛的高度和尾巴的长度。他把自己的发现与来自德国与非洲北部的类似化石进行比较。

然后他注意到，正如赫胥黎等人在19世纪遭遇的情况一样，化石记录似乎显示变化呈“爆发性”，或者新物种大量分化，从而打破了长期的稳定性。当赫胥黎把这一想法告诉他的朋友，进化论的提出者达尔文时，由于达尔文认为进化是一个渐变过程，因而他的回答就是化石记录太粗略，难以支持这一推测。但是，埃尔德瑞基对三叶虫的搜集极为详尽，从而得以看出在相对短的时期里发生快速进化这一事实，因此支持了赫胥黎一百年前的论点。

当埃尔德瑞基向他的同事古尔德征询意见时，这位哈佛大学古生物学教授和比较动物学博物馆主任表示热烈的赞同。古尔德曾经研究过巴哈马蜗牛的变异和进化，它曾经和三叶虫一样长期存在过。古尔德支持埃尔德瑞基的思想，认为现在是承认由岩石和化石诉说的插曲式故事的时候。他们两人共同提出这一思想，联合发表了一篇论文，描述了古尔德取名为“间断均衡”的进化方式。他们论证说，渐变论从未获得化石与岩石提供的证据支持。取而代之的是，变化发生在相对短的时间跨度里（也许只持续10万年，但是正如古尔德所说，这在地质学时间中只是一眨眼的工夫）。在漫长的平静时段里点缀着变化。尽管不是每个人都同意这一革命性的思想，但是它为地球物理学家阿尔瓦雷茨（Walter Alvarez，1940—　）在1980年发表一项地质学发现创造了机会，这项发现一下子又把灾变论推到了科学思想的前沿。

埃尔德瑞基

阿尔瓦雷茨在意大利某地工作，正在研究古代沉积层，测试它们沉积的速率。他请求他的父亲，诺贝尔物理学奖获得者路易斯·沃尔特·阿尔瓦雷茨（Luis Walter Alvarez，1911—1988），帮助分析某些黏土岩芯，以确定某些金属的存在，其中包括铱。老阿尔瓦雷茨在劳伦斯伯克利实验室的一些同事能够使用检验黏土是否含有重金属的仪器，于是他说服这些同事对意大利黏土进行了一些试验。令人震惊的是，有一层黏土中铱的指标要高于其上层和下层黏土，高出25倍之多。非常巧，高水平的铱层正是6 500万年前沉积而成的，这时正值白垩纪之末，第三纪之初，地质学家称之为白垩纪-第三纪边界，或者K-T边界。问题在于，为什么会是这样？再有，当检测世界各地的K-T边界样本时，它们表明铱的指标具有同样高的水平！

古尔德

铱是地球上的一种稀有元素，但是小行星和彗星也含有这一元素。所以，阿尔瓦雷茨父子及其同事们提出了一个很有争议的思想：铱的沉积是由于一个庞大物体闯入地球引起的——小行星或者彗星的大小也许可达到6英里的直径。他们的理由是，这样的碰撞不仅可以解释铱和其他特殊金属的高含量，而且可以解释白垩纪末发生的“大灭绝”——恐龙以及主宰三叠纪、白垩纪和侏罗纪的其他大多数生命的灭绝。他们判断，当小行星袭来时，大量尘埃随之进入大气，这些尘埃满载铱以及其他普遍存在于小行星体内的金属，遮蔽了太阳辐射，这个过程长达5年之久。太阳光的缺乏会使地球冷却，停止光合作用，并且使地球上大多数植物死亡，反过来又使大多数动物无法生存——有人估计无法生存的动物可能达到75%以上。最终，从大气里渗出的铱在K-T边界形成了岩层。

大众媒体抓住了这一思想，《时代》杂志以大字标题发表封面故事——是彗星杀死了恐龙吗？——其中提出了一种说明恐龙灭绝的解释，这种解释得到实际证据的支持。但是这一理论非常大胆，也颇有争议，并不是每个人都同意。

然而，有些人则把这一思想推得更远。K-T边界的大规模灭绝并不是地球历史上唯一性的事件。当两位研究者劳普（David Malcolm Raup， 1933—　）和赛普考斯基（Jack John Sepkoski，1948—1999）研究类似K-T边界发生的其他大规模灭绝事件时，他们注意到一种有规则的模式，类似的灭绝大概每　2 600万年至　2 800万年发生一次。他们想不出有任何地球上的因素容易引起这类周期性的“大灭绝”现象。但是来自地球之外的因素呢？最突出的想法是，有一种周期性的影响一直在干扰处于太阳系边缘的彗星云——所谓的奥特云。当这种情况发生时，约十亿颗彗星向太阳坠落，其中一定有少数彗星会袭击地球，从而引起集体灭绝之类的灾难。

是什么引起对太阳系的平衡如此剧烈的干扰呢？有一种理论致力于这样的思想：我们的太阳有一个名叫“复仇女神”的孪生伴星，它周期性地靠近我们这个小小的九行星系统边缘的奥特云，甩出彗星或小行星，使之陷入混乱。对复仇女神的探索仍在继续，新思想和进一步的探究将会揭开其中的奥秘。

尽管新灾变论有许多问题仍然处于争论之中，但是K-T边界时期受到某个天体影响的思想，逐渐得到了大多数地质学家和古生物学家的承认。不管这一理论的其余部分是否有效，不管“复仇女神”是否存在，但显然是有什么东西在地球历史的某一时刻袭击了地球，才使我们得以看到K-T边界时期，以及由此引起的大规模灭绝。确切的理由仍然有待探究。

对于这些思想的探究，包括计算机模拟得出的大气对这类灾变性事件的反应，还激励了天文学家萨根和斯坦福的生态学者埃利希发起的探索活动，探索如果最可怕的人造灾难——核战争爆发，地球会变成什么样子。于是，核冬天概念成了阿尔瓦雷茨理论的一个副产品，该理论认为，恐龙的大规模灭绝与天空中充满烟尘和尘埃云从而引起地球冷却有关。

臭氧层中的漏洞

20世纪后半叶，我们的地球观发生了一个重大变化，原先认为慷慨充裕、不可摧毁的地球看来不再成立，这一变化部分来自我们从太空观察地球获得的信息。其中一项观察就是同温层中大量臭氧的消失。

臭氧向来是亿万年来地球生态系统中的基本要素。在地球的早期历史里，一旦植物开始向大气释放氧，通过太阳能与氧的相互作用臭氧就开始形成。结果就是臭氧层的形成——这是一层宽广的保护罩，集中在地球上空大约20英里处，保护地面上的生命不受到紫外辐射的伤害。紫外辐射可能是有害的，甚至是致命的。由于臭氧开始消失，失去臭氧保护，人类将面临皮肤癌增加的危险，所有生命形式也许都会受到严重影响。再有，由于有关的化学反应，地球面临普遍变暖的趋势，结果会导致两极冰冠融化和农业及地球生态平衡发生广泛变化。

科学家最早开始注意到，臭氧在20世纪70年代就在从地球上层大气消失，情况急转直下。从大型气象试验卫星7号报告的数据中，科学家发现，自从1973年以来，在南极洲的天空中，每逢9月和10月，即南半球的春天里，臭氧层会出现一个漏洞。

1986年又发现了一个类似的漏洞，尽管小得多。这个漏洞位于北极圈上空，由加拿大城市阿勒特发射的气球所发现。加拿大环境部的科学家们用气球把仪器带到天空，发现在北极上空有一个巨大的坑，形成北半球的臭氧“漏斗”。

早在1974年，罗兰（Frank Sherwood Rowland， 1927—　）和莫林纳（Mario Molina， 1943—　）就警告说，含氯氟烃（也叫氟利昂或CFC）可能引起臭氧层的减少，氟利昂一般用于喷雾推进器、制冷和聚苯乙烯包装。到了1988年中期，研究已经得到明确结果，肯定上层大气中臭氧层消失的元凶之一正是氟利昂。在一个复杂的化学过程中，当这些化学物到达上层大气时，它们的各种成分与臭氧结合形成其他物质，于是臭氧分解了。罗兰和莫林纳由于他们关于臭氧的形成和分解的工作，获得了1995年诺贝尔化学奖。

20世纪90年代，氟利昂的运用终于开始有所收敛。在全球环境协议得到大多数国家的支持之后，压力之下，数个快餐连锁企业不再使用聚苯乙烯泡沫塑料包装，在喷雾推进器中氟利昂用得也越来越少了，制冷技术已逐渐不用氟利昂这类“杀手”。但是有些科学家仍未放弃呼吁和行动。正如大气化学家平特（Joe Pinto）所说：“我们不可能把真空除尘器带上天空，也不能为天空打入臭氧。”

地球的温室效应

新太空时代带来的最为发人深省的一幅图景就是——毫无疑问，金星曾经像地球一样拥有宽广的水域，金星曾经被人们想象成伊甸园，现在这些海洋早已被金星灼热的大气烘干，金星已变成一座鼓风炉，其中很难有生物生存。那么，地球的海洋和大气会不会步金星的后尘呢？

在地球上，越来越多的二氧化碳废气正从汽车和工厂涌向大气，与破坏大气中臭氧保护层的氟利昂联手，引起温度的显著升高。热带雨林的大规模破坏还干扰了同一大气中二氧化碳与氧的平衡。［纽约植物园的植物学家托马斯（Wayte Thomas）在1993年估计，自从500年前葡萄牙探险者第一次登陆巴西以来，巴西靠近大西洋海岸的森林大多已被砍伐，只剩下2%了。］

有些大气科学家做过这样的估计：如果我们继续以现在的速度把二氧化碳释放到大气中，大气中的二氧化碳水平将会在下个世纪中期的某个时期增加至现在的两倍。新近的计算机模拟表明，大约再过140年，二氧化碳水平将会增加至现在的四倍，从而减弱围绕地球传输热的洋流传送带系统。这将使海洋环流产生重大变化，从而减少深部海水和表面海水的混合，并且限制交换过程的发生，这种交换本来是把深洋中的营养物带到表面，又把氧从表面带到深洋区的过程。大气将逐渐变得越来越热，达到白垩纪时期地球曾经有过的温度，这正是6500万年以前恐龙生活的时代，那时两极冰冠都已经融化。他们补充说，这一不断增加的过程将是不可逆的，尽管二氧化碳水平如果只是加倍，洋流在以后的几个世纪里将会逐渐恢复。

某些大气科学家、生态学者以及其他人关心的是： 地球的“温室气体”，例如二氧化碳，正在使全球变暖达到难以忍受的程度。

尽管对这些统计数据存在一些不同意见，但情况似乎很明显：要么承认并且改变我们对地球大气的影响，要么我们的环境在下个世纪里将会遭受巨大的破坏。

随着世界各地的人们越来越深入地认识到地球的脆弱性，人们对国际社会提出了新的召唤，希望能够就成功地管理我们的地球进行谈判。阿尔瓦雷茨父子、萨根和埃利希告诉我们的教训就是：当地球大气通过什么手段被玷污时，就将会产生什么后果。看一看金星的情况，就会对失控的温室效应的危险性获得警示。皮肤癌的发生率越来越高，特别是在澳大利亚和赤道与温带地区，表明控制臭氧层漏洞已迫在眉睫。物种及其生态环境的脆弱性，要求对我们赖以生存的自然环境和我们的行星所需要的平衡进行深入的反思。时间会告诉我们，我们是不是能够成为优秀的管理者。但是有一件事情我们可以肯定：如果我们能够找到并且能够理解所有的途径，注意到每个部分都与其他部分相互作用——从最基本和最基础的要素做起，我们就能够管理好我们的环境。这一计划标志了过去半个世纪物理科学家的努力，也激励了生命科学家的工作。