地球誕生之謎

編譯劉遠

一片地獄般熾熱的荒野，一個毫無生機的熔融行星，最終卻變成了你、我和其他一切生物的發祥地。這是為什么?宇宙從何而來?地球從何而來?你我又從何而來?地球是不是宇宙中惟一有生物存在的星球?星系從何而來?恒星又從何而來?這些都是人類誕生之后就孜孜以求想要弄清的奧秘。下面，我們就引領你探尋這些問題的答案。

剛剛誕生的地球是一座了無生機的“煉獄”，不斷遭遇巨型小行星或彗星的沖撞，火山將大量有毒的氣體噴進地球的原始大氣層。然而，地球最終卻變成了生命的樂土。這是怎么辦到的呢?

也許你聽說過6500萬年前一顆小行星(或彗星)撞擊地球、導致恐龍滅絕的故事，可是你知道嗎?地球形成之初，類似規模的猛烈撞擊，早期地球幾乎每個月都要遭遇一次。為什么我們敢這么說呢?一些證據留在了地球巖石中。這些證據顯示，地球其實是一顆比我們原先想象的要復雜得多的行星。

剛剛形成的地球遠不是生命的家園，而是一座“煉獄”：滿目瘡痍，奇熱無比，巨大的小行星和彗星不斷沖撞地球，火山將大量有毒氣體噴進地球的原始大氣層。那個時候，月球距離地球比現在近得多，因此從地球上看去月亮也比現在大得多。

科學探索發現，地球是在自己形成初期遭遇一系列大撞擊之后才成為一顆可居住行星的。那么，地球究竟是如何從一座“煉獄”最終演變為一個生命世界的呢?我們腳下堅實的土地從何而來?我們呼吸的空氣從何而來?地球上的滔滔之水又從何而來?

誕生之初

為了更形象地說明地球演變這一過程，我們不妨把地球的45億年歷史濃縮為一天，即24小時。

如果把現在作為這24小時的終點，那么人類僅僅是在30秒以前才出現在地球上的，恐龍是在23時以前才出現的，首批多細胞動物是在上午9時05分出現的，在此之前大多數單細胞生物就已存在，其中最早的單細胞生物大約是在凌晨4時出現的。

地球是在這24小時中的零點出現的，不過，暴烈的地球形成史早在這之前很久就已開始。

最初，巨大的古老恒星因走到生命終點而發生爆炸，這被稱為“超新星爆發”。這種爆發產生了我們今天已知的所有化學元素，包括鐵、碳、金等，甚至還有鈾和其他放射性元素，這些元素構成了星塵云。隨著時間的推移，引力控制了一切，星塵云便坍縮成為一個旋轉的巨大星云盤：太陽星云。

在太陽星云的中心，溫度和壓力升高，太陽由此誕生。最終，氫氣和氦氣等輕質氣體被推到太陽星云的外圍，而靠近太陽的則是由重元素組成的塵埃顆粒。無數的塵埃顆粒在各自的軌道上環繞早期的太陽運行，時不時地發生碰撞。如果迎頭相撞，或者撞擊速度很快，塵埃顆粒就會碎裂；但如果碰撞速度不快，相撞的塵埃顆粒就合而為一。經過足夠多次的碰撞之后，塵埃顆粒就聚合成鵝卵石大小；接著，鵝卵石又聚合成巖石；巖石繼續聚合，聚合得越大則引力也越大；最終，引力的作用讓巖石聚合成為球狀的星子，其直徑通常只有幾千米。

隨著時間的進一步推移，一些星子變得像月球那么大。接著，它們繼續聚合，最終形成最靠近太陽的四顆巖質行星：水星、金星、火星和地球。(瞧瞧你家的床底下，你多半會看到一些毛茸茸的塵球，它們是由塵埃聚集在一起而形成的。同樣的事情也發生在最初的太陽系中。45億年前，正是那些在太空中飄浮的巨大的“塵球”聚合形成了太陽系的九大行星。)

早期的地球和現在的地球完全不一樣。但是，要想知道地球最初究竟是什么樣子很不容易，這就好比僅憑一個成年人的模樣和體重就想知道這個人出生日寸的模樣和體重。當然，照片可以記錄一個人出生時的長相和胖瘦。可是，地球誕生在漫長的45億年前，那時的一切痕跡如今幾乎已全部被歲月抹掉，這是由于當時的地球是一個“火球”：一塊表面巖漿洶涌的巨大巖石。因此，當時地球表面的一切幾乎都已熔化，而今地球早已面目全非。所以，要想重建地球的原貌，就不能僅在地球上、而是更多地要到外太空去尋找線索。

天上掉下來的線索

在距離地球超過1.6億公里的火星和木星之間，有一個被稱為“小行星帶”的區域，無數的小行星在這里運行。這些小行星都是塑造行星時所剩下的“邊角余料”。有時，某顆小行星的殘片會被敲出軌道，踏上與地球相撞的旅程。這種殘片被稱為“流星”或“隕星”，它們可能對地球造成劇烈撞擊。隕星落到地面后，被稱為隕石。

不久前，在加拿大不列顛哥倫比亞省西北角靠近美國阿拉斯加州的一個冰湖表面上，當地的一名森林飛行員發現了一些很像是隕石殘塊的東西。他立即把其中的一部分殘塊裝在一個特制冰箱里，郵寄給美國宇航局專家。郵件經過美國海關時，曾被要求解凍接受檢查，因為海關人員擔心來自加拿大的致命病原體之類的東西會隨著這個郵件而進入美國。專家一眼就認出，這是一塊碳質球粒狀隕石，構成它的星塵和構成早期地球的星塵完全一樣。

這真是一個令人欣喜的重要發現，因為一般至少每幾十年才可能有一次這樣的機遇。于是，一組科學家迅速趕往冰湖，仔細搜尋散落在湖面上或者已埋進冰中的隕星殘塊。最終，他們找到了超過400個這樣的殘塊。只要它們尚未被污染(即保持著隕星45億年前形成時的原始狀態)，它們就能向我們講述地球的起源故事。具體而言，只需通過分析未被污染的隕石樣本的成分，就能知道塑造早期地球的塵埃顆粒的化學組成。形象地說，隕石就是我們窺探遠古世界的一扇窗戶。

從這400多個隕石殘塊中，可以看出這顆隕星的含碳量和含水量都很高。除此之外，已經查明這顆隕星含有至少90種元素。這也就是早期地球的“化學指紋”。另外，隕石中還包含著放射性元素，根據這些元素的衰變速度，科學家就能算出隕石的年齡。正因為大多數隕星是和行星同時形成的，并且由同樣的材料構成，因此隕星的年齡和成分也就是地球和其他行星的年齡和成分。對隕石的檢測發現，幾乎所有隕石的年齡都是45億年，上下相差很小。這就意味著所有的隕星和行星都在太陽系早期就迅速形成了。

“鐵之災”其實是福音

但是，在遭遇一系列大規模撞擊之前，年輕的地球還遠遠沒有成形。當時，地球的巨大引力將來自太空的大量殘骸拉向自己，于是地球便接連不斷地遭遇撞擊，由此在地球表面產生了巨大的熱量。與此同時，地球內部的放射性元素衰變也產生了大量的熱，從內部炙烤地球。這兩大熱量的綜合作用，無疑導致了災難性的后果。

還是把地球從誕生到現在看成24小時，那么，到了零點過后8分鐘時，地球已變成一座恐怖的熔爐。當溫度上升至成千上萬度時，地球表面巖石中的鐵和鎳等金屬開始熔化。當時，地球的外部很可能呈熔融狀態，是一片“熔巖之海”，深度達成百上千公里。也就是說，當時的地球就像飄浮在太空中的一顆巨大液滴。在這種狀態下，鐵元素等重元素沉入液滴中心，而那

些輕質元素和富含碳和水的輕質成分則像湖面上的藻類一樣，漂浮在地球表面。

這種全球性的元素遷徙被稱為“鐵之災”，但這場“災難”實際上卻是地球的福音，將對地球的未來產生深遠的影響。下沉的鐵在地球中心積累，形成一個有兩個月球那么大的熔融狀內核。這種液態鐵一直在轉動，直到今天，這種運動所產生的電流仍在繼續把地球變成一塊擁有南、北兩極的巨大磁鐵。也許你要問：誰也沒去過地心，那么怎么可能知道地球有個液態鐵核呢?加拿大的北極冰原，是一個提供證據的好地方。

科學家們說，地球磁場每分每秒都在發生變化，其結果之一就是地球磁極在每一天都有所移動。每過幾年，一些地質學家就會到北極去定位精確的磁北極。即指南針所指的北極。地理的北極是固定不變的，而磁北極卻隨時在變。在過去的1 00年里，磁北極的位置已經發生了很大的變化。為了確定磁極現在的位置，科學家需要在八個不同的地點測量磁場的強度和方向，然后逼近磁北極。最近的測量表明，磁極已經偏離加拿大海岸200公里，而且偏離速度還在加快。這種加快在20世紀70年代以來尤其明顯，從原來的每年移動大約10公里變成了現在的40公里。這種趨勢如果持續下去，40到50年后，磁北極就會到達西伯利亞，其后果令人難以想象。

不過，假如地球沒有這個液態鐵核，生物體就很難在地球上存活。事實上，每一天都有大量致命的帶電粒子轟擊地球。這些粒子是由太陽耀斑發出的，它們以每小時160萬公里的速度在太空穿行，形成所謂的太陽風。如果太陽風“吹”到地球，地球大氣層就會立即被“吹”散。不過，地球內核所產生的包裹地球的磁場就像一面巨大而堅實的盾牌，將那些致命的粒子擋開，從而保護了地球上的生物。

如果地球失去了這面盾牌，命運將如何呢寧火星能告訴我們答案。40億年前，和地球一樣，火星也有一個液態鐵內核，也有一面磁場盾牌。那時的火星很可能也有濃密的大氣層，火星表面也可能存在液態水，因此當時的火星上也可能存在原始的生物。但是，火星的體積只有地球的幾分之一，所以火星很快便冷卻下來，液態鐵核也隨之凍結、變硬，火星磁場由此消失。于是，火星大氣層就被太陽風吹散了，難怪今天的火星表面只是一片寸草不生的荒漠。

天地相撞撞出月球

零點16分，“鐵之災”宣告結束。但是，即便有了液態鐵核和磁場，當時的地球仍然和今天完全不同。火山噴出大量的有毒氣體，地球被包裹在一個令人窒息的大氣層里面，當時地球大氣層的主要成分是二氧化碳、氮和水蒸氣。因為沒有氧氣可供呼吸，也沒有臭氧層來阻擋致命的紫外線輻射，所以當時的地球不是一個適合生物存在的星球，至少對我們所知道的生物來說是這樣的。不過，就是在這樣的條件下，月球誕生了。那么，月球是怎樣出世的呢寧

20世紀60年代晚期，美國宇航局向月球發射“阿波羅”載人飛船，宇航員們的任務之一是把月球表面的巖石樣本取回地球。最終，宇航員們取回了成百上千塊月球石。運用放射性測量技術，科學家算出了它們的年齡。讓科學家們大吃一驚的是，月球比地球年輕幾千萬年。更讓他們大惑不解的是，月球石的化學組成和地球完全一樣，卻同任何已知的其他天體都不相同。也就是說，月球和地球是由相同的基本材料形成的。更神奇的是，月球石所包含的鐵也很少，這和地球表面的巖石完全一致。

一些科學家靈機一動，提出了這種觀點：大約在地球形成5000萬年后，另一個巨大的星子(由和地球相同的成分構成)仍然在太陽系中游蕩；這塊和火星大小差不多的巨型巖石最終撞向地球，撞擊的能量是如此巨大，以至地球的外層和那顆星子都徹底熔化，兩者由此聚合成為一顆塊頭更大的新地球；與此同時，這次猛烈的碰撞也將大量熔融的巖漿噴入太空，這些熔巖最終就聚合成為月球。如今，這一觀點已被廣泛接受。

零點過后16分鐘，也就是地球誕生5000萬年后，月球便形成了。不過，那次大碰撞的余音才剛剛開始顯現。剛形成的月球與地球之間的距離比現在近大約32萬公里，因此那時如果從地球上看去，月球比現在要大許多倍。不僅如此，那時地球的自轉速度也比現在快得多，這使得當時地球上的一天不是24小時，而是不到6小時。另外，正因為當時月球距離地球那么近，所以它對地球的引力拉動作用也很明顯，地球表面有時甚至會上升或沉降60多米。隨著時間的推移，月球逐漸飄遠，地球的自轉速度也就降了下來，這一過程甚至持續到了今天。

你一定會感覺很驚奇——科學家們竟然找到了一種測量月球正在以何種速度遠離地球的辦法：宇航員在月球表面安裝了一臺大型的回復式反射器，它能將激光束按照其來射路徑反射回去；同時，科學家在地球上安裝了一臺高能激光發射器。1969年，科學家將激光束發往月面的那臺反射器，并測定了激光束從發射到返回地面所花的時間——全程歷時兩秒半。在這之后，科學家逐年進行同樣的測量，由此證實月球的確是在逐漸遠離地球。月球目前距離地球大約38.6萬公里，這一距離近年來每年增加大約3.8厘米。

催生月球的那次大碰撞，對地球本身而言也是一次“幸運大撞擊”。正因為那次撞擊的力量是如此巨大，所以地球的轉軸被迫傾向太陽，這樣地球上才有了季節之分。如果喪失了月球的穩定作用，地球就會劇烈搖晃，地球上的氣候就會經常性地走各種極端。如果那樣，一個充滿生機的地球還可能形成嗎?

地球之水何處來

科學家們相信，至少在月球誕生10億年以后，熾熱、熔融的地球表面才冷卻、變硬，形成地殼。但究竟是否如此，則無人知道，因為地球的地質變化無常，最早的地殼如今早已蕩然無存。然而，現在有新的驚人證據出現，已不得不讓人重新思考地殼的形成歷史。

在澳大利亞西部的巖石中，地質學家發現了微小的鋯石晶體。和沙粒大小差不多的鋯石，卻和金剛石一樣堅硬。鋯石也是原始地球的遺物，是熔巖冷卻成固體地殼時的產物。所以，鋯石的年齡也就是地殼的年齡。

在澳大利亞發現的鋯石中，有一粒的年齡竟然高達44億年，這暗示地球可能在月球形成后不久就冷卻形成了地殼。雖然現在還不清楚這種地殼在當時是“熔漿海洋”中的小島還是大片的陸地，但是至少表明44億年前地球就已經有了部分地殼。換句話說，地球形成后僅1.5億年(而非以前認為的10億年)就已經有了地殼。但是這又引出了另一個奧秘：一旦地球冷卻形成堅實的地面，地表就有可能積聚液態水，那么這一積聚是從何時開始的呢?

一些地質學家相信，答案就藏在那些鋯石中。但鋯石是如此稀少，因此哪怕只想找到幾粒鋯石，也必須研磨、篩濾成百上千公斤的古代巖石。對鋯石化學成分進行的分析顯示，最

古老的鋯石中含有大量的氧-18(氧的一種同位素)。這只能由一種情況導致，那就是鋯石晶體是在水中形成的。此消息傳出后，科學界為之震驚——地球表面這么快就有了液態水?!從鋯石的年齡估算，在地球誕生僅兩億年后，地球上就形成了沐浴在原始海洋里的島嶼和小型大陸。也就是說，零點過后才50分鐘，不僅月球已經誕生，而且地球的地殼也已成形，甚至就連液態水也已存在。

水是生命最關鍵的要素，一切生物體都必須有水才能存活。最終，水將覆蓋四分之三的地球表面。事實上，地球海洋中所包含水量的總和接近1億萬億加侖，這可是一個令人簡直無法想象的天文數字。那么，這些水是從哪里來的呢?

聽起來或許有點怪，但實際情況可能就是這樣：這么多的水一開始就存在，只不過是藏在某個地方。解開這一謎團的關鍵之一是火山。在地球的嬰幼兒時期，火山一直在把大量的水蒸氣噴進地球大氣層。接著，隨著地球的逐漸冷卻，水蒸氣凝結成雨，一滴一滴地聚集在地球的低洼地帶。事實上，這樣的過程直到現在也未停止。比如，從夏威夷火山鏈噴出的氣體的主要成分就是水蒸氣。

但也有一些科學家認為，僅僅依靠火山噴出的水蒸氣來形成如此巨大的地球海洋，不知需要多么漫長的時間。換句話說，地球海洋的形成一定還借助了某種外力。具體而言，地球海洋中的水或許來自外太空，是由富含水冰的大型彗星帶到地球表面的。當時那些天地大碰撞的證據如今已不復存在，因為原始地球表面早已被沖蝕、毀壞了。不過，有一個地方依舊保存著早期大碰撞時代的記錄，這個地方就是——月球。

“天上雪山”淹沒地球

月球的表面布滿撞擊坑(隕擊坑)，其中每個坑都是月球在某一個時期遭遇流星碰撞的結果，一些坑的直徑寬達好幾百公里。據估計，月球在其形成之初曾經遭遇過超過一百萬次的大型撞擊。而地球的質量比月球大得多，所以地球的引力必定會引來更多、更大的流星，因此地球曾經遭遇過至少數千萬次的大規模碰撞。也許你曾聽說過6500萬年前恐龍因隕星撞地球而滅絕的事，但是你知道嗎?在地球形成之初，這樣的大規模撞擊每個月就有一次，并且如此可怕的“石頭雨”一連下了好幾百萬年。彗星就是這些“石頭雨”中的一員。據估計，彗星有至少一半的質量是水和冰，也就是說，每一顆大彗星都像一座大雪山，它們融化后當然就能填滿地球的海洋。可是，這種估計是否正確呢?要想找到答案，一個辦法就是測量彗星之水的化學成分，并且把測量結果與地球海洋之水的化學組成進行比較。

然而，研究彗星卻是一件十分棘手的事。在過去20年中，只有極少數彗星足夠近距離地經過地球附近，從而能接受地球人的仔細研究，其中的一顆是在1997年經過地球附近的哈雷一波普彗星。像哈雷一波普這么大的彗星，一顆就能提供一個典型的地球湖泊所需水量的十分之一。當然，海洋要大得多，所需的水量自然也多得多。不過，早期太陽系中有很多大彗星，因此，彗星之水填滿地球海洋應該不成問題。

有人提出，撞擊所產生的熱量足以將彗星內部的水冰氣化，當時地球的上空一定籠罩著蒸氣云。蒸氣云降下熾熱的酸雨，這種酸性暴雨下了至少好幾百萬年。開始時，酸雨導致的洪水形成河流、湖泊；最后，水可能就會覆滿幾乎整個地球。不過，這個理論有一個問題：地球海水中雖然主要是一般的水(H₂O)，但也有極少量的重水(HDO)，重水多含有一個中子。可是，迄今為止的分析結果表明，彗星之水和地球海洋之水的這兩種成分之比并不匹配，具體而言，彗星之水的重水含量要高一倍。

但是，持“彗星之水造就地球海洋”觀點的科學家并不氣餒。他們認為，已經被研究過的所有彗星都來自太陽系的外圍，而在相對比較靠近太陽的地方形成的彗星則可能與前者不同，由于越是靠近太陽的地方溫度越高，所以來自比較靠近太陽的地方的彗星所包含的重水比例應該比較低。因此也就可能和地球海水中的重水比例相同。但究竟是否如此呢?還是要等測量了這后一類彗星的成分之后才能確定。為此，首先得找到這樣的彗星，然后在射電望遠鏡里研究它的成分。

也許你會問：彗星同地球的距離通常都在1億公里以上，那么怎么能測定這么遠的水里究竟有哪些成分呢?科學家是運用分光計來完成這一測量的。這有點像取指紋。就像每個人的指紋都不同一樣，每一種分子化合物所發出的光波的波長也不同。根據波長，就可以判斷是哪種物質。遺憾的是，迄今所探測的比較靠近太陽的彗星都很“臟”——彗星表面塵埃太多，不能反射足夠的光波，因此科學家也就無法查明彗星之水的化學組成。不過，現在每一年都能發現兩到三顆來自內太陽系的彗星，所以彗星之水與地球之水之間的關系終將被查明。

在火山和流星的圍攻之下，早期的地球經歷了一段大苦大難的煎熬。在地球24小時歷史的頭一個小時里，它慘遭毆打、撞擊、炙烤、酸蝕，更可憐的是，這一切苦難的證據如今卻已消失無蹤。年輕的地球同它今天的樣子仍舊有著天壤之別，那時的它充滿敵意、萬分恐怖，空氣中充斥著有毒的氣體。然而，不知為何，就是在如此可怕的環境條件之下，生命卻快要起源了。這簡直令人匪夷所思，但它卻是真的!