牛津通识读本：地球 [3]
生命的网络
生命是地球最脆弱的圈层，但它或许对地球产生了最为深远的影响。如果没有生命，地球也许会像金星一样，成为一个失控的温室世界，或是像火星一样，成为一片寒冷的沙漠。当然也不会有温和的气候和为我们提供养分的富氧大气。我们已经知道，原始藻类通过吸收二氧化碳覆盖层，破坏了年轻地球的隔热罩，一度跟为之供暖的太阳亦步亦趋。独立科学家詹姆斯·洛夫洛克认为，这样的反馈机制将陆地气候维持了20亿年以上。他使用古希腊神话中大地女神“盖亚”（Gaia）的名字为该机制命名。洛夫洛克并未假称这一控制中存在着任何有意识或有预谋的成分；“盖亚”没有什么神力。但主要以细菌和藻类形式存在的生命，的确在这一自我平衡的过程中起到了举足轻重的作用，使地球变得宜居。一个名为“雏菊世界”的简单计算机模型显示，两个或两个以上的竞争物种能够在适于生存的限制条件下建立起控制环境的负反馈机制。洛夫洛克猜想，随着人类活动加剧温室效应，地球的全球系统会逐步适应这种变化，即使这类适应可能对人类不利。
碳循环
碳元素在无休无止地移动。每年大约有1280亿吨碳通过陆地上的种种过程，以二氧化碳的形式释放到大气中，而几乎同样大量的碳又会立刻被植物和硅酸盐岩石风化所吸收。海上的情况与之类似，只是吸收量比释放量略多一些。如果没有火山爆发以及每年燃烧化石燃料所释放的50亿吨碳，整个系统大致会处于平衡状态。大气层中保持的碳总量相当少——只有7.4亿吨，仅比陆地上的动植物所保持的略多一些，比海洋生物所保持的略少一些。相比之下，以溶剂方式储存在海洋中的碳总量洋洋可观，高达340亿吨，而储存在沉积物中的碳总量比这还要高出2000倍。因此，在碳循环中，溶解和沉淀等物理过程可能比生物过程更为重要。但生命体似乎手握王牌。浮游植物所结合的碳会被释放回海水中，如果不是由于桡足动物粪球粒的物理属性，接下来也将非常迅速地释放到大气中。桡足动物是一种微小的浮游动物，其排泄物是质地紧密的小颗粒，可以缓慢地沉入深海，至少暂时将其中所含的碳从碳循环中除去。
图3 碳循环。这一简化图表显示了储存在大气层、海洋和陆地中的碳总量（以10亿吨为单位）估计值。箭头旁的数字表示储存量的年度变化值，括号中的数字表示年度净增值。与大多数其他变化量相比，燃烧化石燃料的贡献值很小，但足以打破平衡
宛若洋葱
地球的内部就像一颗洋葱，由一系列同心壳或同心层组成。顶部是一层硬壳，海洋下的平均厚度为7公里，大陆下为35公里。这层硬壳位于地幔上方坚硬的岩石层之上，其下是较为柔软的软流层。上地幔的范围深达670公里左右，下地幔则深至2900公里。在一层薄薄的过渡层下，是熔融的铁所组成的液态外核以及大小相当于月球的固态铁质内核。但这不是一颗完美的洋葱。各圈层之间存在着横向差异，圈层的厚度也不尽相同，而且我们现在知道，圈层之间还持续进行着物质交换。我们的星球与完美的洋葱模型之间最显著的差异，正是现代地球物理学最不关心也最漠视的部分，而我们恰可以从那里找到线索，了解是哪些过程在驱动整个系统的运行。
图4 地球径向切面上显示的主要“洋葱”圈层
熔岩灯
还记得1960年代流行的熔岩灯和后来数不清的复古产品吗？它们是地球内部运转过程的绝佳模型。关灯时，在透明的油质层之下有一层红色的黏性半流体物质。开灯时，底部的灯丝将其加热，这层红色半流体受热膨胀，密度因此降低，开始以延展的块状上升到油层顶部。一旦充分冷却，它又下沉回原位。地球的地幔中情况也是如此。放射性衰变和地核所产生的热量驱动着某种热力发动机，地幔中并非完全固态的岩石在数十亿年时间里缓慢循环。正是这种循环驱动了板块构造运动，导致大陆漂移，并引发了火山爆发和地震。
岩石循环
在地表，我们脚下的热力发动机与头顶的太阳灶彼此呼应，其协同作用驱动了岩石周而复始的循环。地幔循环和大陆碰撞所抬升的山脉受到了太阳能驱动的风、雨和雪的侵蚀。化学过程也在起作用。大气层的氧化，活生物所产生的酸的化学溶解，以及溶解的气体均有助于分解岩石。大量的二氧化碳可以溶解在雨水中，形成导致化学风化作用的弱酸，把硅酸盐矿物变成黏土。这些残余的岩石被冲回，沉在河口和海底，形成新的沉积物，最终被抬升形成新的山脉，或沉回地幔进入深层的再循环。整个过程是由结合进矿物结晶结构中的水来润滑的。这一岩石循环由18世纪的詹姆斯·赫顿[8]首先提出，但他当时并不清楚循环发生的深度及其时间尺度。
到目前为止，我们只是粗略介绍了我们这个神奇星球的皮毛而已。接下来我们就要启程，去挖掘岩石深处和那遥远的过去的秘密了。
第二章
“深时”
太空很宽广。实在太宽广了……你或许觉得沿街一路走到药房已经很远了，但对于太空而言也就是粒花生米而已。
——道格拉斯·亚当斯，《银河系搭车客指南》
（图中文字按顺时针方向依次为：侏罗纪，白垩纪，第三纪）
世界不仅空间维度巨大，其时间之久远更是超出人们的想象。如果不了解约翰·麦克菲[9]、斯蒂芬·杰伊·古尔德[10]和亨利·吉[11]等作家笔下的“深时”[12]，就无法全面掌握地质学的各种概念和运作过程。
我们大都认识自己的父母，许多人还记得祖父母，但只有少数人见过曾祖父母。他们的青年时代比我们所处的时代早一个多世纪，那对我们来说相当陌生，因为我们的科学认识和社会结构都已大不相同。仅仅十几代之前，英格兰还在伊丽莎白一世的统治之下，机械化运输和电子通讯还是人们做梦也想不到的事，欧洲人才首次探索美洲。30个世代之前，距离现在就有1000年，那时诺曼人尚未入侵英伦。人类用连续的文字记载来追溯自己的直系祖先，也是那以后的事情了。我们或许能够利用考古学和遗传学知识大致分辨出当时我们的祖先是什么人、他们可能住在什么地方，但我们永远不可能确凿无疑。50个世代之前，罗马帝国正处于全盛时期。150个世代之前，古埃及大金字塔还未建成。大约300个世代之前的欧洲新石器时代，最后一个冰川期刚刚结束，基本的农业是当时最新的技术革命。考古学看来无法揭示我们的祖先当时身居何处，尽管通过比较母系遗传的线粒体DNA（脱氧核糖核酸）可以确定大致的区域。给这个数字再加一个0，我们就回到了3000个世代之前，也就是10万年前。在这个时期，我们无法追溯任何现存种族群体的独立血统。线粒体DNA表明，在那之前不久，所有的现代人类在非洲拥有一个共同的母系祖先。然而从地质时间的角度来看，此皆近世之事。
这个时间乘以10，也就是100万年前，关于现代人类的线索就无从查考了。再乘上10，就能看到早期类人猿祖先的化石遗迹。在如此久远的过去，我们无法指着某个单一的物种，肯定地说我们的祖先就在这些个体之间。再乘上10，即一亿年前，就是恐龙生活的年代。那时人类的祖先一定还是些类似鼩鼱的微小生物。10亿年前，也就回到了最初的化石之间，可以辨认的动物或许还一只都没有出现。100亿年前，太阳和太阳系还没有诞生，如今组成人类生存的星球和人类本身的原子，当时还在其他恒星的核反应堆中炙烤沉浮。时间的确深邃悠远。
再来考虑一下区区数代间可发生哪些变化。与地球的年纪相比，人类的历史微不足道，然而几个世纪就见证了多次火山喷发、惨烈地震和毁灭性的滑坡。再想想破坏性不那么剧烈的变化，它们一直绵延不断。在30个世代之内，喜马拉雅山脉的若干部分升高了一米或更多。但与此同时，它们受到的侵蚀很可能多于一米。一些岛屿诞生了，另一些则被淹没。一些海岸由于受到侵蚀而变矮了数百米，另一些却高耸于水面之上。大西洋加宽了大约30米。好了，把所有这些距今较近的变化乘以10、100或1000，就可以看到在地质学上的“深时”期间，宇宙间可能发生了什么。
洪水与均变性
人类从史前时期就注意到了化石遗迹。某些古代的石器经过打磨削尖的一番折腾，似乎单纯就是为炫耀那些贝壳化石。一个古代伊特鲁里亚[13]的墓穴中就放置了一株巨型苏铁类植物的树干化石。但了解化石性质的努力却从近代才刚刚开始。地质科学最初兴起于信仰基督教的欧洲，那时人们的信仰主要源自《圣经》故事，因而在山区高地发现已灭绝生物的贝壳和骨头并没有令他们吃惊：那些都是在《圣经》记载的大洪水中消失的动物的遗骸。所谓的水成论者甚至认为花岗岩是远古海洋的沉淀物。洪水之类本是上帝的极端行为，这一概念促使人们想象地球是由大灾难造就的，直至18世纪末，这一直是普遍接受的理论。
1795年，苏格兰地质学家詹姆斯·赫顿出版了《地球论》（Theory of the Earth），该书如今已成名著。书中常被引用的一句话（尽管是改述的概要）是：“现在是通往过去的一把钥匙。”这是渐变论或均变论的理论，该理论认为，要想了解地质过程，就必须观察当前正在发生的那些几乎察觉不到的缓慢变化，然后只需在历史上加以追溯即可。查尔斯·莱尔[14]阐述了这一理论并始终为之辩护，他生于1797年，赫顿恰是在那年去世的。赫顿与莱尔两人都试图将对创世和洪水等事件的宗教信仰搁置一旁，提出作用于地球的渐进过程是无始无终的。
确定创世的年代
试图计算地球年龄的努力最初起源于神学。所谓的神创论者照字面意义解释《圣经》，因而坚称神创造世界仅用了七个整天，要算是相对近代的事。圣奥古斯丁在其对于《圣经·创世记》的评注中指出，上帝的视