我們是孤獨的嗎？
我們是孤獨的嗎？
一，引言
為什麼火星太冷而金星太熱,偏偏地球不冷不熱正合乎生命演生這一問題,一向被稱為行星氣候學中的哥德洛克難題。迄今為止,答案和解釋的假說成百上千,還沒有哪一種為公認是正確的。
最早的也是最普遍的一個解釋,即偶然成因說認為地球在八大行星中的位置偶然地使地球成為個平均溫度為15℃的可以孕育生命的行星;火星和金星的位置不合適,因此要麼溫度太低(60℃),要麼太高(460℃),不能成為生命的搖籃。但是仔細的研究證明,不論是一個類地的或者是個岩石的行星,其溫度問題並不能這樣解釋。美國行星氣候學家凱斯汀.圖恩和帕洛克指出,金星、地球、火星都是由行星團塊碰撞而成的,它們在形成之後,在很多方面都極為相似。它們在表層有一樣的礦物質,在大氣層中有相同的氣體,如二氧化碳和水蒸汽等,而且表明表面的一些地方也可以存在一些液態的水。液態水的存在,對生命的形成是至關重要的。然而它們最終卻形成了相差極大的氣候條件,其原因在於,它們的表面和大氣之間的二氧化碳循環能力大不相同。二氧化碳象水蒸汽和其它幾種物質一樣,是「溫室氣體」:允許陽光通過,卻吸收以星體表面反射回來的紅外線,而且將一部分輻射回表面。在美國宇航局工作的三位科學家,通過一些專門的摸擬計算,認為地球具有一種神奇的功能:它能在地球溫度下降時,增加大氣中的二氧化碳,而在溫度升高時,減少大氣中的二氧化碳。火星現在很寒冷,是因為它沒有把二氧化碳從火星表面釋放進大氣的能力;而金星卻正好相反:它沒有辦法把大氣中的二氧化碳吸收到表面中去。只有水星這個類地行星,因為沒有大氣,其溫度才完全由太陽控制。換言之,偶然成因說認為行星溫度由距離太陽距離決定是只適用於沒有大氣層的行星的,它不能解釋金、地、火溫度的差別,因為它完全沒有考慮到行星大氣的作用。
二、「早期太陽暗弱」論
二氧化碳在金星、地球和火星氣候演化過程中所扮演的角色問題,之所以越來越多地引起人們的興趣,是因為人們發現天文學和地質學的一些證據似乎相矛盾而引起的。天文學家指出,在地球剛形成的4.6億年前,太陽是很暗弱的,在這4.6億年中,太陽按正比例關係越來越明亮。現在的太陽亮度比地球形成初期的亮度高出25%~30%。
然而,如果地球的大氣成分沒有變化過,那麼在2億年前,地球應當是非常寒冷的.這正恰好和地質學家的證據相矛盾:在3.8億年前,地球上就存在著大片的海洋了;古生物學家指出,在3.5億年前生命就出現了。這表明那時地球的氣候是很宜人的。
康乃爾大學的塞根教授和米蘭教授指出,唯一的可能是,地球那個時候的大氣和現在是很不相同的,並且一直在隨著太陽變亮調整著成分。首先,他們認為,由於現在的大氣中,雲彩起到了反射太陽光的作用,早期的大氣中應當是很少有雲彩的。實際上,現在30%的太陽輻射被反射回太空中,這個作用基本上是雲彩起到的。另一個事實是,現在的地表布滿冰河,而2.7億年前的地球上根本沒有冰河,極為溫暖。因此可以想像,早期的地球,從宇宙空間看上去,是一顆藍的沒有一點點瑕疵的水晶球,而不象現在,布滿白色的雲塊。其次,他們設想早期大氣中可能含有豐富的氨氣,這是一種比二氧化碳更厲害的的溫室效應氣體。計算表明,如果1萬個大氣分子中有1個是氨分子,就可以使早期地球溫暖如春了。然而由於氨分子在陽光下會很快分解,成為普通的氣體,因此需要地球能夠不斷把這種氣體釋放到大氣中去。仔細的分析否定了這設想。因此他們認識到,二氧化碳是唯一可以擔當此重任的了。由於二氧化碳是一種穩定的氣體,因此不會受光照分解。由於岩石中有大量被吸附的二氧化碳,其來源不成問題。
因此,人們傾向於贊同這樣的觀點:大氣中的二氧化碳隨著太陽變亮,變熱而漸漸減少,從而使地球表面的溫度一直沒有改變。氣候適宜於生命生長的原因在於早期地球大氣中二氧化碳的濃度,以及它們隨時間不斷降低的速度。美國宇航局的物理學家哈特仔細地計算了這一速率。
哈特在1973年的這一計算有嚴重缺陷。在他的數學摸型中,二氧化碳的濃度以指數方式隨時間而下降。然而,他要求二氧化碳的真實下降率必須非常精確地符合他的曲線,非常微小的一點偏離立即會帶來災難:要麼一直冷下去變成冰窖,要麼一直熱起來變成火爐。要這個大的系統精確地按他的規律運行而不失控,這隻有求助於上帝才行。
哈特的模型還為偶然發生說提供了證據。他的模型表明,地球到太陽的距離只要有微小的改變人類就不會被產生出來了。他認為,如果地球到太陽距離增大1%,地球上就會布滿冰川;相反,如果減少5%,地球上的海洋就完全被蒸發掉,蒸發了的水份會加劇溫室效應,使地球成為名副其實的火爐。
因此,哈特的結論等於說,地球之所以有適宜的氣候,實在是擲骰子擲出來的小概率事件。因此遭到人們的反對和批評。
後來,美國密執安大學的瓦克教授和黑斯博士以及前面提到過的凱斯汀教授共同建立了一個新的數學模型,因為他們堅信,二氧化碳的變化決不是擲骰子得到的運氣。實際上,二氧化碳隨著溫度的漲落而出現波動,總的效果是傾向於抵消溫度的過大偏移。換言之,地球處於動態平衡之中,各組份之間相互牽制相互緩衝。這一平衡狀態造就了生命的搖籃。當地球因某種原因溫度過高時,大氣中二氧化碳濃度降低,使地球被冷卻;相反,地球因某種原因溫度向下波動時,大氣中的二氧化碳就變濃,使地球增溫。
三、碳酸—硅酸循環
上面的動態平衡就是曲型的負反饋過程,怎樣才能建立這樣一種負反饋過程呢?凱斯汀教授指出,這一負反饋系統的主要調控系統是碳酸—硅酸化學循環,這一循環可以解釋在超過50萬年的時間上,固態的地表與大氣之間產生的大量的二氧化碳交換的主要原因。
這一過程的開始,就是現在大家都知道的酸雨現象。過多的二氧化碳溶解在雨水中形成碳酸。雨水降落地面,腐蝕了含有硅鈣和氧的岩石,使鈣離子和次碳酸根離子進入地下水,並且最終進入江河湖海。
在海洋中,藻類和其它組織吸收這些離子以構成貝殼、蝴礁等。當這些組織死去時,這些東西就變成沉積層,並有可能在地質變遷中被推上陸地或被翻進地下。
當這些物質遇到較高的溫度或較高的壓力時,碳酸鈣就會與硅(水晶石)反應,形成硅成分的岩石,並且釋放出二氧化碳氣體。這些氣體會緩慢從海水中釋放到大氣中,或者通過火山噴發的激烈方式進入大氣。
瓦克教授等人認為,地表溫度的變化會影響這個化學反應鏈,使平衡被移動,只要這個溫度變化不太強烈,化學平衡總是會作出適度的反應以抵消溫度的變化,假定由於某種原因(例如由於太陽亮度下降),地表溫度向下波動。海洋便會對溫度下降作出反應,因為溫度降低使水的蒸發變小。從而雨量減少,並同時使岩石腐蝕風化速率降低,因而回到地面的二氧化碳變小。然而同時從地面和海洋被釋放回大氣的二氧化碳量變化不大。這樣大氣中的二氧化碳濃度就升高,使溫度回升。這相當於在冬天,由於地球離太陽較遠,地球接受日光變少但人們可以穿上更多的衣服保暖,以使自己得到足夠的熱量。
相反,如果由於某種原因地表溫度上升,那麼海洋蒸發速率提高,使降雨增加。與此相應,岩石風化腐蝕加劇,較多的二氧化碳被帶回地表,同時二氧化碳回到大氣的速率變化不大。大家可以想見,凈的效果是阻滯溫室效應,使地球降溫。這相當於在夏天裡,人們脫去衣服以使身體能夠散去熱量維持常溫。
四、生物扮演的角色
由於生物組織在與大氣交換二氧化碳的過程中扮演重要角色,許多科學家認為,地球之所以變得適於生命繁衍,相當大程度上是生物自己改造所致。這就是美國波士頓一家大學的拉弗洛克博士的觀點。在拉弗洛克的主持下開展的戈亞計劃就是為證實此觀點的(戈亞是希臘神話中的地神)。他們認為,大氣中二氧化碳的減少完全是生物過程的直接後果。如果沒有活的生命組織,地球的氣候本該與金星或火星一樣的根據拉弗洛克等人的理論,20%沒有參加碳酸硅酸過程的二氧化碳是在植物光合作用過程中從大氣轉移到地表的。當這些植物死去時,就把碳固化了。在大陸板塊運動過程中,地質變遷使得這些固化了的碳形成山脈的組成部分,岩石與大氣相接觸,風化和雨水使二氧化碳被釋放。
活的生物組織還會影響碳酸——硅酸循環。我們已經指出了海洋浮游生物在形成碳酸沉澱物方面的作用,然而事實上陸生植物在這方面可能有更重要的作用。當植物腐化後,它們的遺體被軾化分解從而增加了土壤中二氧化碳(或碳酸鹽)的含量。這一過程的結果就是使今天的土壤中二氧化碳的含量比400萬年前那時有脈管組織的植物首次出現)要高一些。這種含量升高的結果就是使硅的礦物質轉化為碳的沉澱物速度加快,使碳酸——硅酸循環更為有效。生物的出現使得地球的氣候大為改善而且越來越具有可調性。
五、微調機制在火星上失效
科學家們認為,在火星上曾經有類似的動態平衡被建立起來,那裡也曾有相似的微調機制,但這一機制後來被破壞了。今天的火星大氣只有0.006巴的二氧化碳,其溫室效應貢獻了僅僅6C。
有人認為,火星一開始是冷的,是這種溫室效應使火星變熱,並繼續變熱下去。事實上美國探測器發回的火星表面照片表明,火星表面有許多切痕,這些切痕幾乎肯定是水一液態的水造成的,而現在火星上已找不到液態的水了。有人認為這些切痕是寒冷氣溫下地層深度的液態水偶然釋放而蝕成的。河谷系統顯然需要較高的溫度、大量的液態水長期蝕成。因此,可以確認,火星在開始的幾億年里,溫度要比現在高,水對岩石的蝕化率也要高得多。
地質學家們還不清楚火星過去有多熱。但是可以肯定大氣中的二氧化碳產生的溫室效應顯然是在遙遠的過去,太陽十分暗弱的時候,使火星反而比現在溫暖的原因。科學家認為1到5巴的二氧化碳就可使火星表面的某些部分甚至全部保持零度以上。
然而這還僅僅是推測。要知道這個濃度比火星現在大氣中的真實二氧化碳濃度高出150到800倍。如果我們假想火星沒有類似地球的那種循環機制,是不對的。因為只需百萬年,岩石的風化會很快把大氣中的二氧化碳吸干,而「河谷」和「切痕」照片表明在3.8億年前火星仍是溫暖的。我們必須認為,火星一開始有卓有成效的二氧化碳循環系統,並有足夠的二氧化碳來源。而且,科學家們認為,岩石風化也是火星二氧化碳循環中把它從大氣中移出的主要或重要步驟。然而把二氧化碳釋放回大氣的過程可能與地球不同。因為火星只有地球質量的1/10,這麼小的星球上不會形成地球上的陸地板塊系統。
顯然,如果火星再大一些,能夠形成板塊結構,從而有類似於地球的大規模地質運動,火星就可以使溫室效應繼續為自己「保溫」,從而象地球一樣冷熱宜人。
因此,火星變冷的原因並不是因為它得不到足夠的陽光,而是因為它太小。太小的另一個不利後果就是熱容量小;而表面與體積之比又比大星球大從而損失熱量快。最終火星內核變冷了,使得碳酸鹽岩石不能得到足夠的高溫以釋放出二氧化碳了而岩石風化仍在不斷抽取大氣中的二氧化碳。循環就這樣被破壞了。最後,火星大氣中的二氧化碳幾乎被抽完了,火星的大氣就變成了現在這樣稀薄而死寂沉沉。
六、金星是怎樣被烤乾的
我們已經知道了,火星上豐富的水被凍住了。而金星上呢,僅有的一些水份完全都被蒸發到大氣中,以水汽形式,或者以硫酸形式,存在於包裹著金星表面的硫酸雲的成份。行星氣候學家們有兩種主要的理論來解釋金星如此乾涸的原因.路易斯和他在亞利桑那大學的同事們認為,金星本來就沒有足夠的水。原始星雲時代,形成金星的區域,離太陽系形成合水礦物質的區域太遠,因此金星生來就缺水。然而這一理論的嚴重缺陷是它沒有考慮到引力的作用。
因此第二種理論就站到了路易斯理論的反對面。它假定金星曾有足夠的水。然而後來卻失去了。例如,蒸發到高空的水蒸汽中的水分子會在陽光照射下分解,形成氫氣和氧氣。由於氫氣子分較輕,很快就會達到金星逃逸速度而離開金星進入太空從地下涌至地表的液態水會立即蒸發。科學家們認為,金星地面是沒有降雨的,因此也沒有海洋。
水蒸汽會加強溫室效應。計算機的模擬表明,早期金星正是這種「潮濕溫室」效應導致了災難這一災難的後果是水份迅速地、連續不斷地湧上高空。高度越大,水蒸汽含量就越大,甚至到了50%(體積)。因此,陽光照射下,水分子漸漸分解氫氣分子漸漸逃出金星大氣。金星終於變成了現在這樣僅有少量水份的、乾涸的、簡直和火爐一樣熱的星球。
由於水份缺乏,二氧化碳無法被抽離大氣,使得金星大氣中充滿二氧化碳再次加劇溫室效應,如此惡性循環。這簡直就是一個正反饋的例子因此,金星溫度比地球高,根本不是它離太陽近的緣故。科學家們估計,如果有辦法除掉金星大氣中的二氧化碳,但保持其表面密布的硫酸雲,那麼金星溫度將降至比地球還低,只比火星略高一點
七、太陽系的「生命圈」
前面我們提起過,金星水分的喪失是因為光照下水分子的分解。計算機模擬表明,太陽輻射只要比地球高出10%,就會使該行星失去水分。這實際上使得地球,這個生命搖籃的位置決不能再向太陽移近了。這一點上,哈特的計算是正確的:太陽系的生命圈,即生命可以生存的範圍,有一邊緣就在地球軌道附近再向太陽移動5%處。但是,凱斯汀指出,哈特的計算出發點與此不同。凱斯汀警告說由於太陽溫度和亮度正在升高,因此1億年後,地整球軌道將越過這道蕃籬,離開生命圈。因此,地球處將面臨著和金星一樣的卮運:失去水分,成為一個命於燥而高溫的生命禁區。也許地球能夠加速岩石風化蝕化過程減少二氧化碳的濃度,從而推遲這一災難來臨。但是植物將大批死亡,因為大氣中二氧化碳濃度降低,將使光合作用難以進行。
冷靜的凱斯汀曾經回答了一個聽眾的提問。那位聽眾想知道由於人類的工業活動製造大量的二氧化碳,這是否會導致這一大災禍早日到來。凱斯汀指出:地球上的煤和石油全部使用完畢,只需幾百年的時間。在這非常短暫的加熱期過去後,二氧化碳將不可挽回地減少。這種減少可以避免我們被高溫烤死,但這將使我們被餓死。這個災難太強大了，我們的力量對它簡直沒有任何影響。
凱斯汀接著計算了太陽系生命圈的另一個邊緣,這個值遠比哈特的值大。哈特認為,地球軌道以外再離太陽遠出1%處就是生命圈的極限。但凱斯汀的模型給出的值是50%,這個邊緣在火星軌道外側。換言之,凱斯訂的太陽系生命圈包含有地球和火星軌道的廣大帶環狀區域。
八、我們是孤獨的嗎?
哈特的模型由於存在嚴重缺陷,給出錯誤的結論。這一結論和地外生命存在與否問題的悲觀回答相同。由於地球如此幸運地進入了非常狹窄的生命圈,才使生命成為可能。這一小概率將在德瑞克公式裡面起瓶頸作用。
然而很幸運,宣判我們是孤獨者的這一判決是錯誤的。凱斯汀教授等人的分析受到了公認,意味著系統存在生命的概率是非常之大的。實際上,凱斯汀教授的數據只須經過簡單的調整就可適用於其它的行星系統。只要有合適的行星處在「生命圈」內,我們就可以期待在那裡找到生命。因為我們無法想像一個和地球環境相同的行星會無法象地球那樣孕育出生命來!
我們的朋友遍布宇宙!
我們絕不是孤獨的!
TAG:風的意思 |