牛津通识读本：地球 [1]
致谢
本书作者特此感谢以下诸位：感谢阿琳·朱迪丝·克洛茨科，本书的撰写离不开她的引介；感谢谢利·考克斯当初热心约稿、埃玛·西蒙斯一贯耐心相助、戴维·曼及时提供插图、保利娜·纽曼和保罗·戴维斯提出颇有助益的意见、玛丽安和埃德蒙·雷德芬助我热情饱满并帮我审读书稿、罗宾·雷德芬也卖力相助；感谢激励我始终保持严谨的无名读者，以及拨冗与我交流并用激情将我深深感染的无数地质学家。
图1 1972年12月从“阿波罗”17号上看到的行星地球
第一章
动态的地球
一旦有人从外太空拍摄一张地球的照片，一种前所未有但无可辩驳的全新观念就要诞生了。
——弗雷德·霍伊尔爵士[1]，1948年
如何在薄薄一本小册子里容纳一个巨大的星球？尺幅千里已显不足，不过倒有两种天差地别的方法可供一试。一种是地质学采用的自下而上的方法：从本质上说，就是观测岩石。数个世纪以来，地质学家们奔波于地球表面，用手中的小锤子探测不同的岩石类型以及构成这些岩石的矿物颗粒。他们先是利用肉眼和显微镜、电子探针和质谱仪，把地壳简化为细小的组分。继而又绘制出不同的岩石类型之间的联系，并通过理论、观察和实验，提出了岩石运动的假说。他们从事的是一项艰巨的事业，提出了不少深刻的见解。地质学家前仆后继的努力构筑了一座理论大厦，为未来的地球科学家奠定了基础。正因为有了这种自下而上的方法，我才得以撰写本书，但这并不是我要采纳的视角。我本意并不想写一本岩石矿物和地质制图指南，而是要为一个星球画一幅肖像。
要观察我们这个古老的星球，还有一个自上而下的新方法，也就是日渐为人们所知的地球系统科学的视角。它把地球看成一个整体，而不仅仅是“现在”这一刻凝固的模样。采纳了地质学的“深时”概念，我们开始把这个星球看成一个动态的系统，由一系列过程和循环组成。我们开始了解它的运作机理。
俯瞰
开篇那句话是天文学家弗雷德·霍伊尔爵士在1948年提出的预言，仅仅十年后，人类就开始了太空之旅。当无人驾驶的火箭在外太空拍下第一批地球照片时，当第一代宇航员亲眼看到我们这个世界的全貌时，预言成真。最初的俯瞰并没有揭示什么关于地球的新秘密，却已成为一个充满象征意义的符号。对于亲眼看到那幅图景的许多宇航员来说，那是一次动人的体验：他们一直以来与之共存的这个世界竟然美丽如斯，又显得那么脆弱。地球科学也在同时经历了自身的革命，这大概不是偶然。板块构造的概念最终为世人所接受，其时距离阿尔弗雷德·魏格纳[2]首次提出该理论已逾50载。海底探索揭示出海底是从洋中脊系统扩展而成的。它不断漂移，迫使大陆分离或重组成新大陆。那些大陆一般大小的岩石板块，其形体之巨远超想象，却也翩然跳出绚丽而古老的舞步。
大约同时，与人类在广袤幽暗的太空中俯瞰到“地球”这个飘浮于其中的小小蓝宝石一样具有象征意义，全球兴起了一场环保运动，它的参与者既有对濒临灭绝的物种和雨林充满感伤主义眷恋的普通人，也有开始采纳全新视角、研究复杂互动的生态系统的科学家。如今，多数大学院系和研究组织都会用“地球科学”一词取代“地质学”，因为人们已经意识到该学科的广度绝不仅限于研究岩石。“地球系统”一词也被日益广泛地使用，因为人们认识到这些过程之间相互关联的动态性质，不仅包括由岩石构成的固态地球，也包括其上的海洋、脆弱的大气层，及其表面的薄薄一层生命体。我们生活的世界仿佛一颗洋葱，由一系列同心圈层构成：最外是磁层和大气层，继而是生物圈和水圈，再到固态地球的多个圈层。它们并非都是球形，有些圈层的实体性也远不如其他，但每个圈层都在努力维持着微妙的平衡。人们认为，这个系统的每个组成部分都不是固定不变的，其样态更像一个喷泉，整体结构或许能够维持不变，却会随着通过的物质和能量的大小而展现出不同的姿态。
如果岩石能开口说话
岩石和石子可算不上口若悬河的说书人。它们静坐着，任凭青苔聚集，推一把才会动一下，生性如此。然而地质学家有许多办法令其开口。他们敲打之、切割之、挤之压之、推之拖之，直到它们开口讲述——有时还真要裂开才行。如果你懂得如何观察，岩石会将它的历史娓娓道来。岩石表面是最近的历史：它如何受到风化侵蚀；那些风、水和冰留下的创痕，是它沧桑的容颜。还有些表面看不到的疤痕记录着热量和压力的时期，以及这块岩石被埋葬时的变形情况。当这些变化较为极端时，会形成所谓的变质岩。关于岩石的来历也不乏线索。有些痕迹表明，它曾被熔融并从地球深层强推而上，在火山爆发时喷薄而出，或者侵入存在于地表的其他岩石，这些是火成岩。岩石内部矿物颗粒的大小可以揭示它们冷却的速度有多快。大块花岗岩冷却缓慢，因此其中的晶体很大。火山玄武岩的固化速度很快，因而颗粒细小。先前的岩石经过碾压的碎片会组成新的岩石。就这些岩石而言，碎片的大小往往能够反映其形成过程中环境的力量：从在静水中沉积而成的细粒页岩和泥岩，到沙岩，再到由汹涌水流冲刷而成的粗粒砾岩。其他岩石，诸如白垩和石灰岩，乃是在生命系统从大气中吸收二氧化碳并使之在海水里迅速凝结的过程中，由化学物质沉积而成的，这一过程听上去仿佛是把蓝天变成了顽石。
就连单个的矿物颗粒也有自己的故事。矿物学家能利用高精度质谱仪逐一分辨这些矿物颗粒的微小成分，甚至能够揭示痕量成分中同位素的不同比例（即同种成分的不同原子的排列方式）。有时这些数据能帮助我们确定矿物颗粒形成的年代，从而了解它们是否来自更加古老的岩石。矿物学家还能揭示某一晶体（如钻石）穿过地幔时经历了哪些阶段。就从海生生物体中提取的矿物质而言，研究其碳和氧同位素，甚至有助于测算在这些矿物质形成时海水的温度和全球气候。
其他世界
地球的问题就在于，我们只有一个地球。我们只能看到它当前的状态，无法判断这一切是不是一场美妙的巧合。这也就是地球科学家把关注的目光重新投向天文学的原因。有些新型望远镜的功能很强大，对红外和次毫米波长辐射极为敏感，能够用于深度观测恒星形成区，了解在我们这个太阳系生成的过程中，曾经发生过怎样的故事。在某些年轻的恒星周围，人们通过望远镜观察到满是尘埃的光环，即所谓的原行星盘，它们有可能是正在形成的新的太阳系。不过要找到一些完整成型的地球类行星则比较困难。直接观察这样一个行星围绕一颗遥远恒星的轨道旋转，就像在高亮度探照灯附近寻找一只小小的飞蛾。然而近年来，人们通过间接方法发现了一些行星，主要方法是监测母恒星在运动过程中由于重力作用产生的微小摆动。作用最明显，因而也最先被发现的，似乎是由于那些行星比木星大得多，它们与其所环绕的恒星之间的距离也远小于地日距离。这样一来，就很难将其定义为“地球类行星”了。不过越来越多的证据表明，宇宙中确乎存在与我们的所在更加相像的多行星太阳系，但要找到像地球这样宜人的小行星可没那么容易。
为了直接看到这样的行星，需要使用人类一直梦寐以求的太空望远镜。美国和欧洲都在实施野心勃勃的计划，力图创建一个红外望远镜网络。其中每一台都要比哈勃太空望远镜大得多，必须将四五台这样的望远镜密集编队，把它们的信号组合在一起，才能解析整个行星。这些望远镜必须安置到木星那么远的位置，才能摆脱我们这个行星系所产生的浑浊不清的红外光的干扰。但那样一来，这些望远镜或许能够探测到遥远行星大气层中的生命迹象，尤其是，它们或许能够探测到臭氧。那也许意味着类地的气候和化学条件，外加游离氧的存在，据我们所知，这是只有生命体才能够维持的物质。
生命的迹象
1990年2月，“旅行者”1号探测器在遭遇木星和土星之后冲出太阳系，途中传回了整个太阳系的第一张图片；如果真有外星来客，他们看到的太阳系大概就是那样一幅图景。太阳这颗耀眼的恒星占据了整个画面，那已经是从60亿公里之外拍摄的，相当于我们通常观察太阳的距离的40倍。从图片上几乎看不到任何行星。地球本身比“旅行者”号携带的相机中的一个像素还要小，它发出的微弱光芒则缥缈如一束日光。这是我们全部的世界，看上去却不过一粒微尘。但对于任何携带着适当工具的外星访客而言，那个小小的蓝色世界会立即引起他们的注意。与外行星狂暴肆虐的巨大气囊、火星的寒冷干燥或金星的酸性蒸汽浴不同，地球的一切条件都恰到好处。这里存在三种水相——液体、冰和蒸汽。大气组成不是已经达到平衡的死寂世界，而是活跃的，必须持续更新。大气中有氧气、臭氧，以及碳氢化合物的痕迹；这些物质如果不是在生命过程中持续更新，就不会长时间共存。这本身足以引起外星访客的注意，更不用说这里还有通讯、广播和电视设备不绝于耳的聒噪了。
磁泡
我们对地球物理学还所知甚少。这并不是说这门学问深不可测，而是我们这颗行星的物理影响大大延伸到星球的固体表面之外，深入我们所以为的寂寥太空。但那里并非虚无。我们住在一串泡泡里，它们像俄罗斯套娃一样层层嵌套。地球的势力范围之外，是由太阳主宰的更大的泡泡。而那个大泡泡之外则是彼此重叠的多个泡泡，它们是很久很久以前由恒星或超新星爆炸产生的碎片不断膨胀而形成的。所有这些泡泡都存在于我们的银河系中，银河系则是已知的宇宙之中诸多星系所组成的超星团的一员，而这个超星团本身，可能只是诸多世界的量子泡沫[3]中的一个泡泡而已。
在大多数情况下，地球的大气层和磁场都在保护我们免受来自太空的辐射危害。如果没有这层保护，地球表面的生命就会受到太阳紫外线和X射线、宇宙射线，以及星系间剧烈事件所产生的高能粒子的威胁。太阳还终年不断地向外吹送粒子风，其组成主要是氢原子核或质子。这股太阳风一般以400公里每秒的速度掠过地球，在太阳暴期间，速度会增加三倍。它会弥漫到数十亿公里之外的太空中，越过所有行星，也许还会越过彗星的轨道，那些彗星轨道与太阳的距离要比地日距离远上数千倍。太阳风非常稀薄，但足以在彗星接近太阳系的心脏部位时吹散彗