地球的力量——火山

科學世界

我們的行星——地球，這是一個神奇的千變萬化的世界，充滿著各種自然奇觀。但是地球本身還有比自然景觀更奇特的東西。那就是大自然的力量:火山、大氣、海洋......

火山，地球系統的一部分，它們一直在改變著地貌，在很大程度上決定了地球的生命起源。在地球面臨最大危機的時候是火山拯救了地球，它們甚至和生命相互依存，給地球生物提供了適宜生存的環境。

非洲東部的埃塞俄比亞是地球上最偏僻最炎熱的地方之一?；鹕皆谶@里持續不斷地噴發巖漿，這里的火山活動比地球上其他地方都要活躍得多。當地人稱它為冒煙的山（圖1）。全世界的科學家們都到這兒來研究這個火山,看看這里獨一無二的景象。

（1） 火山持續不斷地噴發巖漿，被稱為冒煙的山

克利弗（地質學家）:埃塞俄比亞的這個火山大概是地球上最具特點的火山之一。它是一個熔巖湖，地球上極為稀有。地球內部不斷噴射熔巖補充，而形成一個永久的熔池。

在這里，科學家發現了一個揭示地球內部力量的窗口。

克利弗:對它的研究只是在最近40多年才開始的，在我的一生中我有幸看到了許多火山，但是我從沒有見過在火山口能夠形成一個永久的熔巖湖，為什么這個火山這么特別？要明白這個原因，我們需要下到火山口近距離地觀看熔巖翻滾。

通過研究熔巖湖，科學家們想更多地了解地球內部熱氣的巨大力量。夜晚降臨了，火山開始顯露它的秘密。當熔巖湖開始加速運動的時候，一些有意思的事發生了：熔巖的運動遵循一種非常獨特的模式。它從火山口的一邊涌出來，當它冷卻下來之后，便形成一層黑色的硬殼。然后，在湖面下巖漿運動的作用下，這個硬殼在熔巖湖的表面移動。最后，硬殼塊又沉落下去。

克利弗:我們在這里看得見熔巖溫度非常高，它提醒人們地球內部溫度極高，正是這種熾熱為地球內部的運動提供了能量（圖2）。

（2） 熾熱的，不斷涌動的熔巖

熔巖不斷涌動的這個過程影響了地貌。但是地球的熱氣并不僅僅是為火山提供燃料。它持續不斷地改變著這個星球的表面，并為地球上的復雜生命的產生創造條件。非常簡單。在這個星球上 ，沒有比它更有力量的了。

為了了解我們星球內部的巨大熱源從何而來，我們必須回到45億年前。那是地球誕生的時刻：體積差不多大的巨石在圍繞太陽轉動的同時不斷發生碰撞。這種碰撞產生巨大的熱量，這些巖石也給地球帶來了大量的放射性元素（圖3）。

（3） 地球形成早期:巨石碰撞產生巨大熱量。當地球外層冷卻下來，強大的熱源被包裹到熾熱的地核中

最終，當星球的外層冷卻下來，這些強大的熱源被包裹到熾熱的地核中。地球的中心大約有4500℃，和太陽表面一樣熱。這就是地球巨大熱量的來源。捕獲在地球內部的巨大的熱量至今仍然使火山不斷噴發，仍然不斷地釋放著令人無法想象的巨大熱量。

在經歷過45億年后，這種熱量還大量存在。地球內部的熱能使地表處于不斷運動狀態，創造了不斷變化的自然景觀。不像太陽系的其他行星，地球是一個不斷毀滅又不斷重生的世界。

地殼表面分成7大板塊，剝離掉大西洋你會看到兩個板塊間，長長的分界線沿著海底一直延伸到海岸上，穿過冰島。巖層曾經是連在一起的，但是由于地殼運動被撕裂開形成了一個巨大裂縫。只有地球內部的熱能有這種力量分裂大陸。

地球內部的熱量加熱熔巖使它往上升，熔巖在靠近地表的地方朝兩個方向散開，各自往一側涌動，這時它的熱量開始散失。最終，溫度稍低的熔巖沉下去了。通過這種擴散過程使地殼慢慢地被牽引開來，使陸地開始移動。

2.25億年前，我們的地球看起來和現在是很不一樣的，那時所有的大陸是連在一起的，是一整塊的巨大陸地，也叫作盤古大陸。當大陸漂移時這塊巨大的板塊破裂開來，新的海洋形成了。這樣就形成了我們今天的世界。但是大陸板塊從來就沒有停止漂移，在遙遠的將來大陸板塊將會重新結合成一個新的巨大的板塊。

我們已經看到了板塊分裂時發生了什么，但是當它們互相碰撞的時候，給人的印象會更加深刻，地球板塊互相碰撞形成了雄偉壯麗的山脈。

當新西蘭還是散落的小島的時候發生了什么呢？太平洋板塊和澳大利亞板塊互相碰撞使這些小島被連在一起，形成了我們今天熟知的新西蘭版圖（圖4）。在碰撞地帶大地變得崎嶇不平形成了一座山脈。

（4）太平洋板塊與澳大利亞板塊碰撞后，使散落的小島連在了一起

世界上所有的雄偉的山脈都是像這樣在板塊碰撞時形成的，當你從太空中往下看時，你會發現地球表面是皺皺巴巴的，有歐洲的阿爾卑斯山脈、南美的安第斯山脈以及中亞的喜馬拉雅山脈（圖5）。

（5） 從太空中看到地球表面皺皺巴巴的

它們相對來說比較年輕，是在最近的板塊碰撞中形成的。

地震具有讓人毛骨悚然的破壞力，整個城市會在瞬間被摧毀，地球板塊在創造雄偉的山脈時就會發生地震。

這一過程重復了上千萬年，使喜馬拉雅山脈變成了地球上最雄偉的山脈，而地球內部的熱能還在推動著山脈不斷地增高。

這些巨大的山脈處于持續不斷的被攻擊中，時間一長一種力量也許可以把它們完全摧毀，那種力量是水，聽起來這似乎不太可能。

水的力量是驚人的，只有當你在和激流做斗爭的時候你才會明白河流的力量會有多大，河流把峽谷切開了，并且無情地侵蝕著巖石，峽谷在進一步變深。河流不僅僅侵蝕著巖石，它們還把山上的碎石運到大海里。它們的運送量是巨大的。

在南美洲，亞馬孫河每年從安第斯山脈帶走的碎石多達20億噸，然后把它們沉積在大西洋。

在印度次大陸上，恒河從喜馬拉雅山起源，每年大約要侵蝕掉10億噸巖石，順著河床往下移動3千公里沉積在印度洋里。

如果不是板塊運動建造著山脈，水也許最終會把地球上的陸地都侵蝕磨平。世界因為這兩種永恒的運動在不斷地變化著。

地球內部熱能還以另外一種方式使地球發生著巨大的變化。

在地球形成早期，它看起來是很不一樣的。土地是熱的，火山運動永遠地活躍著。地底的泥土帶來許多化學物質，有毒氣體從熱氣騰騰的池子里面冒出來。對我們來說早期的地球像煉獄一般。

但也正是火山運動創造了適宜的環境，有了這樣的環境，地球歷史上許多重要的變化才發生了。

火山給年輕的地球表層提供了熱量、水以及豐富的化學物質。正是這些結合在一起，為地球發生驚人的變化創造了條件。沒有人確切地知道這是怎么發生的，大約40億年前地球成為了生命的搖籃。

布魯斯·毛頓（專家）:沒有時光機器能讓我們回到從前，我們唯一能做的就是看看那些我們認為和以前相似的東西，這些溫泉和地球早期存在的物質非常非常地接近，水溫達到70℃，如果你把手指放進去的話，你一定會燒傷手的。溫泉里充斥著有毒的硫化氫氣體和少量的砷。

這里面有成千上萬的有機物，它們形成了橙紅色的纖維質。對于橙紅纖維質里面的微生物來說，含毒性化學物質的水是極富營養的湯。

在地球早期這樣的池子非常普遍，火山運動為生命的出現提供了必須的化學物質。在地底深處有著熾熱的巖漿體，巖漿本身也在釋放氣體。比如二氧化碳和二氧化硫，這些都為細菌提供了食物，所以火山像是一個供應鏈，提供了所有原料，它們為整個進程提供了動力。

還有一個理論認為火山創造了另外一個地方，生命有可能在那里開始。比如說熱液出口，這些熱液出口也是火山運動的結果，但是它們是在海底深處發現的（圖6）。這個理論支持了生命多樣性的觀點。但是人們認為在10多億年前，熱液出口產生的化學物和高溫相結合刺激了生命的產生。

（6） 海底深處的熱液出口也是火山運動的結果

但是火山遠遠不只是刺激了生命的產生，它們在孕育和保護生命方面起了至關重要的作用。

在地球的幼年，太陽不像今天這樣溫暖，實際上要比現在冷30%。照耀著這個行星的是比較弱的陽光，地球處在冰凍的危險中，是火山溫暖了年輕的地球。但也并不是你想象的那樣，噴出的熔巖并沒有使地球全部地方變暖，是火山噴出的二氧化碳使地球變暖了。

今天我們認為二氧化碳是一種危險的氣體，是溫室效應的罪魁禍首。實際上二氧化碳對地球來說是至關重要的，它能使熱量保留在大氣層而不散失到太空中。二氧化碳是個雙刃劍。

再看看我們的鄰居火星。火星就是一個冰凍的荒地，平均溫度只有-60℃，就是因為火星大氣層沒有足夠的二氧化碳來保持溫暖。另外一個極端就是金星,它表面的溫度熱得足以融化鉛，不僅僅是因為離太陽近，而是因為金星的大氣層中的二氧化碳含量比地球大上幾千倍。

早年的地球火山噴發現象比現在要多得多，因為地心太熱了，火山運動提供了足夠的二氧化碳彌補了陽光的不足，使年輕的地球沒有被冰凍起來，因而使早期的生命幸免于難。

但這還不是火山為地球所做的全部，大概6億年前火山運動還推動了地球歷史上生物進化的飛躍。

澳大利亞的鯊魚灣是地球上最古老的生命的發源地。這些奇怪的圓拱形物是由一層層細菌組成的，叫作疊層石。在地球歷史很長一段時間里它們是地球上最高級的生物（圖7）。

（7） 澳大利亞鯊魚灣的這些奇怪的圓拱形物是由一層層細菌組成的，叫作疊層石。在地球歷史很長一段時間里它們是地球上最高級的生物

大約7億年前地球開始變冷，冰河時代開始了。地球即將進入漫長的冬季。這一時期被稱為雪球地球，因為整個地球就像冰雪覆蓋的大雪球一樣。

到木星去看看你就會明白那時的地球看起來是什么樣的（圖8）。

（8） 被冰雪覆蓋的木星就如同雪球地球時期的地球

那時的海洋曾經被數百米厚的冰層覆蓋，有的地方的厚度甚至有1公里左右。即使在最溫暖的地區，氣溫也不過才－20℃～-25℃，到處冰天雪地。

在雪球地球時期，最可怕的事情是地球將永遠被困在大冰窖中，一旦冰雪完全覆蓋地球，陽光的熱量就會被折射到太空中，那么地球將不會再變暖了。

拯救了地球的是火山，即使冰雪覆蓋了整個地球,火山還是會繼續噴發（圖9）。

（9） 火山沖破冰雪的覆蓋

隨著火山的不斷噴發，大氣層里面的二氧化碳含量不斷增多。

直到大約6.3億年前，二氧化碳層開始變得很厚能夠捕獲足夠的熱量，把地球從冰雪天地里解救出來。

開始解凍了。地球上刮起了猛烈的暴風雪，幾百年中地球經歷了歷史上最極端的氣候變化，冰房子變成了熱房子，溫度從－50℃變到了50℃。

幸運的是隨著地球氣候的逐漸穩定，地球開始變得正常，一些袖珍型生物幸免于難。經歷過漫長的雪球地球時期存活下來了。

在雪球地球時期結束后很短的時間里，生命的歷史發生了變革，大約5千萬年前埃迪卡拉生物群生活在海洋里，它們不用爭奪食物。慢慢地它們進化成更復雜的動物。這些動物現在有堅硬的骨架和外殼，有大爪子和保護盔甲。地球從一個柔軟和平的伊甸園變成了野蠻的你爭我搶的世界，激烈的戰爭使得進化的速度越來越快。

埃迪卡拉生物群是進化史上一個重大的飛躍。

在20多億年前，微生物占統治地位。現在，復雜的多細胞生物衍變成了紛繁復雜的新物種（圖10）。這些動物和植物從占領海洋開始搶占陸地和天空。

（10）圖組:雪球地球時期結束后，生命的進化有了重大的飛躍：復雜的多細胞生物衍變成了紛繁復雜的新物種

火山結束了恐怖的雪球地球時期，這之后導致了一場進化大飛躍。但是在地球生命史上力量無窮的火山還有一個更重要的角色要扮演。這個角色對地球仍然是至關重要的，那就是為了使地球上的生物存活下來?；鹕胶蜕镏g結成了一個不可思議的共同體，它們共同調節了地球的溫度。意大利埃特納這樣的破壞性的火山，實際上它可以通過控制大氣中的二氧化碳含量來調節地球的溫度。這個過程開始于一個大家意想不到的地方。

海洋中有很多被稱作浮游動物的微小生物，用顯微鏡才可以看到它們的個體，但是當它們聚集在一起時數量很大

可以看到每年它們都大量地繁殖，所以海洋呈現出綠色。正是由于浮游生物如此之多，它們可以幫助改善地球的氣候。海洋從大氣中吸收二氧化碳，浮游生物依靠二氧化碳來生存。當這些浮游生物死了以后它們沉到海底，并在這兒待上上千年，慢慢地它們就變成了石頭（圖11）。這樣大量的二氧化碳，這種讓我們的星球保持溫暖的氣體從大氣中脫離出來，保留在海底。

（11） 死后沉入海底的浮游生物上千年后變成了石頭

如果這是故事的結尾,大氣中的二氧化碳越來越少的話，我們的星球會變得越來越冷，幸運的是像埃特納這樣的火山不允許這樣的事情發生。

埃特納火山是一種特殊的火山，是在非洲板塊和歐洲板塊碰撞時產生的。碰撞時一個板塊被迫擠壓到另一個板塊的下面。板塊下降的時候巖石層就變熱融化并釋放出二氧化碳，在火山爆發的過程中二氧化碳又返回到大氣層中。神奇的是生命和火山使大氣中的二氧化碳的濃度達到平衡并且使我們的星球維持在一個合適的溫度。

火山噴發是地球上最劇烈的活動。世界上最著名的火山之一美國的圣海倫斯火山過去一直很安靜。但是巨大的火山口里在壓力的作用下，形成龐大的錐形巖石，圣海倫斯火山正在醞釀一次噴發。1980年5月18日在短短的幾分鐘時間內，280億立方米的火山爆發了，瞬間掩埋了周圍的村莊。

火山爆發會產生很多氣體，然而這些氣體的釋放對地球來說卻很重要，這是把巖石中存在的碳釋放到大氣中的關鍵，整個系統就像是一個自動調溫器，為生命的存在提供一個合適的溫度。

地球內部的熱量對地球的形成史來說是最重要的。但自從地球在45億年前形成以來,地球內部的熱量一直掙扎著想釋放出來,火山就是一個例子,地球上沒有什么比火山爆發更引人注目,更具破壞力,更猛烈了。但是除了破壞力之外，火山還有更多的作用。它是我們的星球的生命推動力（圖12）。

（12） 火山噴發是地球上最劇烈的活動