【小地理】【第2篇】恩宠之星

    被日常琐事缠绕的人们,很少有时间会感受到地球的特殊之处。当偶尔了解一些关于宇宙、恒星、星系的知识时,才可能意识到,虽然有亿万颗星球,但这些星球要么炽热,要么荒凉,唯有我们生活的地球才是与众不同的。远的不说,把地球和太阳系的其他几个行星稍微比较下,就会发现只有地球热闹非凡,多姿多彩,孕育着万千生命,而其他几个行星都是毫无生机,显得极为单调。若我是一名来太阳系旅游的天外来客,我肯定会在地球上多待上一段时间,因为这里的景象最为丰富多彩。

图1     荒凉的火星地表
图2     荒凉的水星地表(跟月球地表很相像)

    地球的年龄大约是45亿年,可以算是很长寿了,在这漫长的时间中,地球上孕育了种类众多的生命,先后产生了原核生物、原生生物、真菌、动物、植物等多种类型的生物,包括现存的和已灭绝的生物种类,总计多达上亿种。也正是因为有了生命,地球在亿万星球中,才显得那么的与众不同。

    看到好奇号、机遇号等火星探测器在火星地表拍的照片,人们的第一感觉就是荒凉和孤寂。想想也是,没有了动物植物,没有了雨雪雷云,没有了奔流不息的河流,没有了浩瀚的、蓝色的海洋,那么地球跟火星也差不了多少,也会像火星一样静寂和单调。为什么这么多的星球,只有地球多姿多彩,并且孕育了众多生命?

    天文学家和生物学家经过多年的研究和比较,最终得出结论:形成生命的条件其实是非常苛刻的,需要很多的客观条件同时具备才行,而具备这些条件的行星却又是少之又少,至今也没有发现和确认一个。能够了解和认识这些生存条件也是一件有趣的事情,我们就来看看这些条件都有哪些吧。

图3     太阳系在银河系中的位置

    太阳系在银河系中的位置:太阳系位于银河系中的宜居带。银河系是一个棒旋星系。几个主要的旋臂有英仙座旋臂、人马座旋臂、三千秒差旋臂等。在银河系的中心地带,以及几条旋臂上,恒星的分布相对比较密集。太阳和它的众多行星兄弟们,就位于猎户座旋臂内侧的边缘位置(如上图3所示)。这个位置大概在银河中心到银河边缘的中间位置上。

    太阳系的位置离银河系中心足够远,可以尽可能的避免银河系中心频繁发生的超新星爆发、伽马射线暴等足以摧毁地球生命的剧烈事件。

    太阳系的位置也没有在银河系的边缘,因此可以获得生命所需的多种元素物质。因为银河系从内到外金属丰度是逐渐减少的,在银河系的外围,元素种类太少就很难形成固体行星,更多的是形成气体行星。而当前的这个位置,金属丰度足够大,可以形成固体行星,比如地球、火星、金星等。

    地球在太阳系中的位置:地球位于太阳系中的宜居带上。地球在太阳系的位置也是恰到好处,这是生命体正常生存的前提。地球离太阳的距离近过近,地球就热得让人受不了。相反,地球距离太阳远一点,地球就又过于寒冷,同样也不适合生物的生存。另外,地球围绕太阳的轨道非常接近圆形,这就保证了地球围绕太阳公转的过程中,地球与太阳之间的距离大致相等,不会忽远忽近,从而避免了地球的温度不会忽冷忽热。

    安全的运行环境:生命的繁衍和演化需要足够长的时间,这要求它们居住的星球能够长时间的保持稳定的状态。地球绕太阳公转的轨道也比较安全,八大行星各行其道,避免了彼此之间的碰撞,此外,地球外围有木星这位大哥,木星可依靠较大的质量形成足够大的引力,吸引和捕获很多侵入到太阳系内部的各种天体,从而起到保护地球的作用,比如1994年的苏梅克-列维9号彗星就被木星成功的捕获。

    有研究指出,木星发生彗星撞击的概率是地球的2000至8000倍,木星用自己庞大的身躯,为我们地球挡住了很多的意外天体撞击,而这些撞击,动不动就是上万个核弹的能量。可以说,木星扮演着内太阳系清道夫的角色,以强大的引力来清理太空垃圾。

    地球的自转:地球的自转周期也比较合适,使得地球的不同部分轮流接受太阳的照射,并出现昼夜的交替。过长的自转周期,会导致温度的剧变。朝向太阳的一面,不断吸收热量,温度会上升的很高;背向太阳的一面,不断的散发热量,温度又会下降的很低。比如水星的自转周期是88天,白天的温度高达432摄氏度,晚上会降低到零下172摄氏度。除了大气稀薄的原因外,白天和黑夜过长也是一个重要原因。

    地轴的角度:地球的自转轴心与绕太阳公转的轨道面不是完全垂直的,而是有一个66.5度的夹角。这样在地球公转太阳一圈的过程中,太阳垂直照射地球的部分,就不会只固定在赤道地区,而是在赤道两侧往复摆动,也即是在南北回归线范围来回摆动。最终导致地球上出现四季的变化,也使得地球热量的分配和交流更为均匀,使得生物圈的生存活动范围进一步增大。

大气层的保护:大气层对地球生命体的保护实在太多了。每天有成千上万的小天体冲入地球大气层,降落到地面的成为陨石,从陨石的数量也可以感受到最终落到地面上的天体少之又少,因为其中的大多数都与大气产生摩擦而燃烧成灰烬;

    大气层还可阻挡很多紫外线、伽马射线等高频率的宇宙射线直接照射到地球表面,从而保护地球上的生命体;大气层还能产生一定的温室效应,使地面温度保持温暖而且稳定;

    大气层的厚度也是适中的。大气层太稀薄,地表热量容易散失,导致温度下降,昼夜温差加大。大气压力小,地面的水在常温甚至在低温下就会沸腾,直至全部汽化消失,地面所有动植物将因缺水而死亡。反之,如果大气太厚重,过高的气压也会使人和动物不能忍受。

    地球的磁场:地球的磁场不但可以帮助人们辨别方向,还起到了保护地球免受太阳风暴的摧残。太阳风包含高能量粒子,包括带正电的质子、氦原子核和带负电的自由电子等。我们知道,带点粒子在磁场中会受到磁场的作用力,这个作用力的方向是沿着磁力线的方向,而地球的磁场磁力线在面向太阳的方向,正好平行于地球表面,因此可以把太阳风中的高能带点粒子推到南北极两侧的位置

    大多数粒子被地球磁场偏转了方向,最终没有进入地球大气,少量粒子会沿着磁力线进入地球的南北两极,与高层大气(热层)中的原子碰撞造成发光现象,也就是美丽的极光。如果没有地球磁场的保护,地球的大气层会像剥洋葱一样,被太阳风暴逐渐的剥离,最终的结果就是地球失去自己的大气层。

    欧洲航天局网站上有个动画视频,形象的描述了太阳风吹到地球附近时,被地球磁场改变的过程。感兴趣的朋友可以观看。

    https://sci.esa.int/web/cluster/-/46262-solar-wind-enters-earth-s-magnetosphere

    地球的重量适中:地球的重量比较适当。行星的质量过大的话,会导致大气层过厚,阳光不容易穿透大气层到达地面。地表生物无法获得足够的能量。行星质量太小的话,会导致引力过小,不足以束缚足够的大气,造成大气的稀薄和逃逸。

    生命之水:在生命存在的条件中,水差不多算是最重要的了。地球中最早的生命就诞生在水中,即使离开海洋成功适应陆地生活的生物,也照样离不开水。水为大极性分子,且存在对化学、生物均十分重要的次级键—氢键。氢键可以稳定蛋白质、DNA等生物分子结构。水是自然界极性最大的溶剂,也是溶解物质最多种类的溶剂,生命活动的很多化学反应都必须在水溶液中完成。人体大约70%都是水。人体输送养分的血液,即是水的溶液。正因为水对生命具有如此重要的意义,在寻找地外生命的探索中,水的检测成为最优先进行的工作。

    大气环流、洋流和温度:太阳光照射到地球,当它通过大气时,只有很少一部分热量被大气直接吸收,大部分照射在地球表面,使地球表面增温。地球表面增温后,再以热辐射方式将大部分热量辐射到空中被大气吸收。可见大气增温是从底部开始的。

    水是比热容最大的几种物质之一,因此可以吸收和存储大量的热量。地球表面的71%都是海洋,海水是透明的,太阳辐射可以传至较深的地方,使相当厚的水层贮存热量。水的热容量比空气大得多,1立方厘米的水温度降低1摄氏度放出热量,可使3000多立方厘米的空气温度升高1摄氏度。据统计,全球海洋100米厚度的水只降低1摄氏度,就会使气温升高60摄氏度。

    这样,夏天太阳辐射能量较强,热量被大量地储存在海水中,而不是完全地辐射传递给大气,所以夏天气温不会升的太高。冬天太阳辐射较弱,海水得到的能量较少,但海水夏天储存的太阳辐射能量在冬天辐射出来,使冬天的气温不致过低。可以说,海洋才是地球上最大的一台空调,调节着地球表面的温度。

    一个难以置信但又确定无疑的事实是:标准大气压下,100摄氏度的液态水完全变为水蒸气,所吸收的热量,是同等质量的水从0摄氏度升高到100摄氏度所吸收热量的5.39倍。也就是说,水的蒸发会吸收大量的热量,同理,水蒸汽的液化也会释放大量的热量。

    伴随地球上水的固态、液态、气态的相互转变,以及水的循环,就造成地球不同时间、不同地区间的能量转移和交换。大气环流和洋流共同作用使高低纬度地区之间的能量得以交换。由于大气环流和洋流输送热量的结果,低纬度的热带地区温度降低了7摄氏度~13摄氏度以上,中纬度地区温度有所升高,高纬度60°以上地区升高了20摄氏度以上。据分析统计,赤道实测温度比辐射差额温度降低了14摄氏度,而极地则提高了25摄氏度。

合适的温度是生命正常生存的必要条件。由于日地距离、大气层保护、大气环流、水的循环、洋流等多种因素的共同作用,使的地球表面温度,白天不太高,夜晚不太低;夏天不太高,冬天不太低;低纬度地区不太高,高纬度地区不太低。地球表面的平均温度为15摄氏度,陆地表面平均温度为22摄氏度。这些因素一方面把温度控制在生命存活的范围之内,另一方面也扩大了生命生存活动的地域范围,为各类生命的生存和发展创造了良好的环境条件。

    通过上面介绍的这几个条件,我们完全可以说,地球是一颗备受恩宠之星。如此众多的条件集于一身,经过长达数十亿年的演变、积累和进化,才产生了人类这种高级生命体。对于所有生命,对于每一个曾在地球上存在过的生命体,都要感到庆幸和欣慰。关于生命存在的条件,还有很多更为专业的分析资料,感兴趣的朋友可以继续查阅和了解。

    值得一提的是,以上这些都是参考地球生物特征来进行分析的。地球生物的主要成分,比如主导生命活动的蛋白质,主导生殖繁衍的核糖核酸,都是基于碳的有机分子构成。人类到目前为止,对地外生命是否存在,尤其是对太阳系外的生命是否存在,是否有其他形式的生命存在,实在是了解太少,能力和手段都差很多。

    外星人是否存在的讨论也一直是人类最感兴趣,最能引发人类好奇心的一个话题,自1995年发现并确认第一颗太阳系外行星后,人类又相继发现了数千颗系外行星,有少量行星与地球的特征非常相似。到底是否存在如同人类一样的外星人生命,这都有待天文学家,有待新一代的年轻人继续努力探索。

参考资料:

1 维基中文百科 条目:地球;太阳;水星;行星;

2 田丰 宜居环境与地外生命 科学通报 2016 年 第 61 卷 第 19 期:2093 ~ 2100

3 向世民,黄定华,高举,林鑫波 寻找地外生命的进展与前景 地质科技情报 2009年 第28卷 第6期

4 https://sci.esa.int/web/cluster/-/46262-solar-wind-enters-earth-s-magnetosphere

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