地球

NASA最新公布的地球东半球照片
NASA最新公布的地球东半球照片
  地球,是人类居住的星球,太阳系中的行星之一,是太阳系从内到外的第三颗行星,也是太阳系中直径、质量密度最大的类地行星。住在地球上的人类又常称呼地球为世界。形状像球,略扁,表面是陆地海洋赤道半径约6378.2千米,极半径约6356.8千米。自转一周的时间是一昼夜,绕太阳转一周的时间是一年。它是太阳系类地行星中最大的一颗,也是现代科学目前确证唯一存在生命的行星。科学家估计地球的年龄大约有45亿7千万年。地球由地核、地幔和地壳构成,地球外部由水圈、大气圈和地球辐射带构成。有一颗卫星(月球)。   地球是太阳系中密度最大的星体。其他的类地行星可能也有相似的结构与物质组成,当然也有一些区别:月球至少有一个小内核;水星有一个超大内核(相当于它的直径);火星与月球的地幔要厚得多;月球与水星可能没有由不同化学元素构成的地壳;地球可能是唯一一颗有内核与外核的类地行星。值得注意的是,我们的有关行星内部构造的理论只是适用于地球。
    不像其他类地行星,地球的地壳由几个实体板块构成,各自在热地幔上漂浮。理论上称它为板块说。它被描绘为具有两个过程:扩大和缩小。扩大发生在两个板块互相远离,下面涌上来的岩浆形成新地壳时。缩小发生在两个板块相互碰撞,其中一个的边缘部份伸入了另一个的下面,在炽热的地幔中受热而被破坏。在板块分界处有许多断层(比如加利福尼亚的SanAndreas断层),大洲板块间也有碰撞(如印度洋板块亚欧板块)。目前有八大板块:
  
NASA最新公布的地球西半球照片
NASA最新公布的地球西半球照片
  北美洲板块——北美洲,西北大西洋格陵兰岛   南美洲板块——南美洲及西南大西洋  南极洲板块——南极洲及沿海  亚欧板块——东北大西洋,欧洲及除印度外的亚洲  非洲板块——非洲,东南大西洋及西印度洋  印度与澳洲板块——印度,澳大利亚,新西兰及大部分印度洋  Nazca板块——东太平洋及毗连南美部分地区  太平洋板块——大部分太平洋(及加利福尼亚南岸)    还有超过20个小板块,如阿拉伯,菲律宾板块。地震经常在这些板块交界处发生。 
伽利略探测器1992年再次飞掠地球前往木星进行探测的途中,在距地球620万公里时将镜头调转拍摄的地球与月球的合影。(NASA)
伽利略探测器1992年再次飞掠地球前往木星进行探测的途中,在距地球620万公里时将镜头调转拍摄的地球与月球的合影。(NASA)
 地球与月球的交互作用使地球的自转每世纪减缓了2毫秒。当前的调查显示出大约在9亿年前,一年有481天又18小时。
    地球有一个由内核电流形成的适度的磁场区。由于太阳风的交互作用,地球磁场和地球上层大气引发了极光现象。这些因素的不定周期也引起了磁极在地表处相对地移动;北磁极现正在北加拿大。
    地壳的厚度不同,海洋处较薄,大洲下较厚。内核与地壳为实体;外核与地幔层为流体。不同的层由不连续断面分割开,这由地震数据得到;其中最有名的有数地壳与上地幔间的莫霍面-不连续断面了。
    地球的大部分质量集中在地幔,剩下的大部分在地核。地核可能大多由构成(或镍/铁),虽然也有可能是一些较轻的物质。地核中心的温度可能高达7500K,比太阳表面还热;下地幔可能由、氧和一些构成;上地幔大多由olivene,pyroxene(铁/镁硅酸盐)、钙、铝构成。我们知道这些金属都来自于地震;上地幔的样本到达了地表,就像火山喷出岩浆,但地球的大部分还是难以接近的。地壳主要由石英(硅的氧化物)和类长石的其他硅酸盐构成。
    地球只有一个自然卫星——月球。但是数千人造卫星被安置在了地球轨道上。

概述

     

·地球的形状

 
著名的“蓝色弹珠”照片,由阿波罗17号太空船于1972年拍摄
著名的“蓝色弹珠”照片,由阿波罗17号太空船于1972年拍摄
 地球是球形这一概念最先是公元前五、六世纪的古希腊哲学家毕达哥拉斯(Pythagoras)提出的。但是他的这种信念仅是因为他认为圆球在所有几何形体中最完美,而不是根据任何客观事实得出的。以后,亚里士多德根据月食时月面出现的地影是圆形的,给出了地球是球形的第一个科学证据。公元前3世纪,古希腊天文学家埃拉托斯特尼(Eratosthenes of Cyrene)根据正午射向地球的太阳光和两观测地的距离,第一次算出地球的周长。公元726年中国唐代天文学家一行主持了全国天文大地测量,利用北极高度和夏日日长计算出了子午线一度之长和地球的周长。1622年葡萄牙航海家麦哲仑(Ferdinand Magellan)领导的环球航行证明了地球确实是球形的。17世纪末,牛顿研究了地球自转对地球形态的影响,认为地球应是一个赤道略为隆起,两极略为扁平的椭球体。1733年巴黎天文台派出两个考察队,分别前往南纬2°的秘鲁和北纬66°的拉普林进行大地测量,结果证明了牛顿的推测。  20世纪60年代后人造卫星上天,为大地测量添加了新的手段。现已精确地测出地球的平均赤道半径为6378.14千米,极半径为6356.76千米,赤道周长和子午线周长分别为40075千米和39941千米,北极地区约高出18.9米,南极地区低下去24~3米。有人说地球像一只倒放着的大鸭梨。其实,地球的这些不规则部分对地球来说是微不足道的。从人造地球卫星拍摄的地球照片来看,它更像是一个标准的圆球。  

·地球的表面

 
卫星高空拍摄的美丽地球-夏威夷火山国家公园
卫星高空拍摄的美丽地球-夏威夷火山国家公园
 在地球上海洋占了地球表面积的70%以上,在剩下的不到30%的陆地上也分布着纵横交错的江河湖泊,地表以下的土壤和岩层间还有连续不断的地下水。  海水、地表水和地下水构成了一个完整的水圈。在太阳的控制下,大气水和地表水永不停息地循环,创造了人类生存的环境。地球上最大的海洋是太平洋,几乎占地球整个水面面积的一半。              地球表面(包括地表以上一定高度和地表以下一定深度的范围),生活着150多万种动物、30多万种植物。所有生物相互影响,生物与环境相互作用,建立了一个称为“生物圈”的大系统。人类在生物圈内繁衍生息,发展了灿烂的文明,但也给这个系统内的平衡带来了威胁。
    地球的表面十分年轻。在50亿年的短周期中(天文学标准),不断重复着侵蚀与构造的过程,地球的大部分表面被一次又一次地形成和破坏,这样一来,除去了大部分原始的地理痕迹(比如星体撞击产生的火山口)。这样一来,地球上早期历史都被清除了。地球至今已存在了45到46亿年,但已知的最古老的石头只有40亿年,连超过30亿年的石头都屈指可数。最早的生物化石则小于39亿年。没有任何确定的记录表明生命真正开始的时刻。
    地球表面的71%为水所覆盖。地球是行星中唯一一颗能在表面存在有液态水(虽然在土卫六的表面存在有液态乙烷与甲烷,木卫二的地下有液态水)。我们知道,液态水是生命存在的重要条件。海洋的热容量也是保持地球气温相对稳定的重要条件。液态水也造成了地表侵蚀及大洲气候的多样化,目前这是在太阳系中独一无二的过程(很早以前,火星上也许也有这种情况)。
    地球的大气由77%的氮,21%氧,微量的氩、二氧化碳和水组成。地球初步形成时,大气中可能存在大量的二氧化碳,但是几乎都被组合成了碳酸盐岩石,少部分溶入了海洋或给活着的植物消耗了。现在板块构造与生物活动维持了大气中二氧化碳到其他场所再返回的不停流动。大气中稳定存在的少量二氧化碳通过温室效应对维持地表气温有极其深远的重要性。温室效应使平均表面气温提高了35摄氏度(从冻人的-21℃升到了适人的14℃);没有它海洋将会结冰,而生命将不可能存在。
    丰富的氧气的存在从化学观点看是很值得注意的。氧气是很活泼的气体,一般环境下易和其他物质快速结合。地球大气中的氧的产生和维持由生物活动完成。没有生命就没有充足的氧气。

·地球辐射带与磁层

地球磁场图象
地球磁场图象
  20世纪初有人提出太阳在不停地发出带电粒子,这些粒子被地球磁场俘获,在地球上空形成一个带电粒子带。50年代末60年代初,美国科学家范·艾伦(James Alfred Van Allen)根据宇宙探测器探险者1号、3号和4号的观测,证明了带电粒子带的存在。地球辐射带分为两层,形状有点像是砸开成两半的核桃壳。离地球较近的辐射带称为内辐射带,较远的称为外辐射带,也分别称为内、外范·艾伦带。辐射带从四面把地球包围了起来,而在两极处留下了空隙,也就是说,地球的南极和北极上空不存在辐射带。最近两年有消息说,美国和俄罗斯的天文学家在内外辐射带之间又发现了第三条辐射带。      过去人们一直认为地球磁场和一根大磁棒的磁场一样,磁力线对称分布,逐渐消失在星际空间。人造卫星的探测结果纠正了人们的错误认识,绘出了全新的地球磁场图象:当太阳风到达地球附近空间时,地球磁层太阳风与地球的偶极磁场发生作用,把地球磁场压缩在一个固定的区域里,这个区域就叫磁层。磁层像一个头朝太阳的蛋形物,它的外壳叫做磁层顶。地球的磁力线被压在"壳"内。在背着太阳的一面,壳拉长,尾端呈开放状,磁力线像小姑娘的长发,"飘散"到二百万千米以外。磁层好像一道防护林,保护着地球上的生物免受太阳风的袭击。地球的磁层是个非常复杂的问题,其中许多物理机制需要进一步的研究和探讨。最近十年,科学家已经把磁层的概念扩展到其它的一些行星,甚至发现宇宙中的中子星、活动星系核电具有磁层结构的特征。

·地球的自转与公转及四季

  地球自转与公转示意图 地球好比作一只陀螺,它绕着自转轴不停地旋转,每转一周就是一天。自转产生了昼夜交替的现象,昼夜示意图朝着太阳的一面是白天,背着太阳的一面是夜晚。当我们中国这里是白天的时候,处在地球另一侧的美国正好是夜晚;地球自转的方向是自西向东的,所以我们看到日月星辰从东方升起逐渐向西方降落。  地球不但自转,同时也围绕太阳公转。地球公转的轨道是椭圆的,公转轨道的半长径为149,597,870千米,轨道的偏心率为约0.0167,公转一周为一年,公转平均速度为每秒29.79千米,公转轨道面与赤道面的交角约为23°27’,且存在周期性变化。  地球自转和公转运动的结合产生了地球上的昼夜交替、四季变化和五带(热带、南北温带和南北寒带)的区分。  由于地球自转轴与公转轨道平面斜交成约66°33′的倾角,因此,在地球绕太阳公转的一年中,有时地球北半球倾向太阳,有时南半球倾向太阳。总之太阳的直射点总是在南北回归线之间移动,于是产生了昼夜长短的变化和四季的交替。
地球由地核到大气截面图(部分按照比例)
地球由地核到大气截面图(部分按照比例)
 人们对于地球的结构直到最近才有了比较清楚的认识。整个地球不是一个均质体,而是具有明显的圈层结构。地球每个圈层的成分、密度、温度等各不相同。在天文学中,研究地球内部结构对于了解地球的运动、起源和演化,探讨其它行星的结构,以至于整个太阳系起源和演化问题,都具有十分重要的意义。
      地球圈层分为地球外圈和地球内圈两大部分。地球外圈可进一步划分为四个基本圈层,即大气圈、水圈、生物圈和岩石圈;地球内圈可进一步划分为三个基本圈层,即地幔圈、外核液体圈和固体内核圈。此外在地球外圈和地球内圈之间还存在一个软流圈,它是地球外圈与地球内圈之间的一个过渡圈层,位于地面以下平均深度约150千米处。这样,整个地球总共包括八个圈层,其中岩石圈、软流圈和地球内圈一起构成了所谓的固体地球。对于地球外圈中的大气圈、水圈和生物圈,以及岩石圈的表面,一般用直接观测和测量的方法进行研究。而地球内圈,目前主要用地球物理的方法,例如地震学、重力学和高精度现代空间测地技术观测的反演等进行研究。地球各圈层在分布上有一个显著的特点,即固体地球内部与表面之上的高空基本上是上下平行分布的,而在地球表面附近,各圈层则是相互渗透甚至相互重叠的,其中生物圈表现最为显著,其次是水圈。

·大气圈

 
风暴
风暴
 大气圈是地球外圈中最外部的气体圈层,它包围着海洋和陆地。大气圈没有确切的上界,在2000 ~ 16000 千米高空仍有稀薄的气体和基本粒子。在地下,土壤和某些岩石中也会有少量空气,它们也可认为是大气圈的一个组成部分。地球大气的主要成份为氮、氧、氩、二氧化碳和不到0.04%比例的微量气体。地球大气圈气体的总质量约为5.136×1021克,相当于地球总质量的百万分之0.86。由于地心引力作用,几乎全部的气体集中在离地面100千米的高度范围内,其中75%的大气又集中在地面至10千米高度的对流层范围内。根据大气分布特征,在对流层之上还可分为平流层、中间层、热成层等。

·水圈

  水圈包括海洋、江河、湖泊、沼泽、冰川和地下水等,它是一个连续但不很规则的圈层。从离地球数万千米的高空看地球,可以看到地球大气圈中水汽形成的白云和覆盖地球大部分的蓝色海洋,它使地球成为一颗"蓝色的行星"。地球水圈总质量为1.66×1024克,约为地球总质量的3600分之一,其中海洋水质量约为陆地(包括河流、湖泊和表层岩石孔隙和土壤中)水的35倍。如果整个地球没有固体部分的起伏,那么全球将被深达2600米的水层所均匀覆盖。大气圈和水圈相结合,组成地表的流体系统。

·生物圈

  由于存在地球大气圈、地球水圈和地表的矿物,在地球上这个合适的温度条件下,形成了适合于生物生存的自然环境。人们通常所说的生物,是指有生命的物体,包括植物、动物和微生物。据估计,现有生存的植物约有40万种,动物约有110多万种,微生物至少有10多万种。据统计,在地质历史上曾生存过的生物约有5-10亿种之多,然而,在地球漫长的演化过程中,绝大部分都已经灭绝了。现存的生物生活在岩石圈的上层部分、大气圈的下层部分和水圈的全部,构成了地球上一个独特的圈层,称为生物圈。生物圈是太阳系所有行星中仅在地球上存在的一个独特圈层。

·岩石圈

  对于地球岩石圈,除表面形态外,是无法直接观测到的。它主要由地球的地壳和地幔圈中上地幔的顶部组成,从固体地球表面向下穿过地震波在近33千米处所显示的第一个不连续面(莫霍面),一直延伸到软流圈为止。岩石圈厚度不均一,平均厚度约为100千米。由于岩石圈及其表面形态与现代地球物理学、地球动力学有着密切的关系,因此,岩石圈是现代地球科学中研究得最多、最详细、最彻底的固体地球部分。由于洋底占据了地球表面总面积的2/3之多,而大洋盆地约占海底总面积的45%,其平均水深为4000~5000米,大量发育的海底火山就是分布在大洋盆地中,其周围延伸着广阔的海底丘陵。因此,整个固体地球的主要表面形态可认为是由大洋盆地与大陆台地组成,对它们的研究,构成了与岩石圈构造和地球动力学有直接联系的"全球构造学"理论。

·软流圈

  在距地球表面以下约100千米的上地幔中,有一个明显的地震波的低速层,这是由古登堡在1926年最早提出的,称之为软流圈,它位于上地幔的上部即B层。在洋底下面,它位于约60千米深度以下;在大陆地区,它位于约120千米深度以下,平均深度约位于60~250千米处。现代观测和研究已经肯定了这个软流圈层的存在。也就是由于这个软流圈的存在,将地球外圈与地球内圈区别开来了。

·地幔圈

  地震波除了在地面以下约33千米处有一个显著的不连续面(称为莫霍面)之外,在软流圈之下,直至地球内部约2900千米深度的界面处,属于地幔圈。由于地球外核为液态,在地幔中的地震波S波不能穿过此界面在外核中传播。P波曲线在此界面处的速度也急剧减低。这个界面是古登堡在1914年发现的,所以也称为古登堡面,它构成了地幔圈与外核流体圈的分界面。整个地幔圈由上地幔(33~410千米深度的B层,410~1000千米深度的C层,也称过渡带层)、下地幔的D′层(1000~2700千米深度)和下地幔的D″层(2700~2900千米深度)组成。地球物理的研究表明,D″层存在强烈的横向不均匀性,其不均匀的程度甚至可以和岩石层相比拟,它不仅是地核热量传送到地幔的热边界层,而且极可能是与地幔有不同化学成分的化学分层。

·外核液体圈

  地幔圈之下就是所谓的外核液体圈,它位于地面以下约2900千米至5120千米深度。整个外核液体圈基本上可能是由动力学粘度很小的液体构成的,其中2900至4980千米深度称为E层,完全由液体构成。4980千米至5120千米深度层称为F层,它是外核液体圈与固体内核圈之间一个很簿的过渡层。

·固体内核圈

  地球八个圈层中最靠近地心的就是所谓的固体内核圈了,它位于5120至6371千米地心处,又称为G层。根据对地震波速的探测与研究,证明G层为固体结构。地球内层不是均质的,平均地球密度为5.515克/厘米3,而地球岩石圈的密度仅为2.6~3.0克/厘米3。由此,地球内部的密度必定要大得多,并随深度的增加,密度也出现明显的变化。地球内部的温度随深度而上升。根据最近的估计,在100千米深度处温度为1300°C,300千米处为2000°C,在地幔圈与外核液态圈边界处,约为4000°C,地心处温度为 5500 ~ 6000°C。(资料来源:上海网上天文台 http://www.astron.sh.cn/earthmoon/earth.html

地球的未来

   太阳的生命周期地球的未来与太阳有密切的关联,由于氦的灰烬在太阳的核心稳定的累积,太阳光度将缓慢的增加,在未来的11亿年中,太阳的光度将增加10%,之后的35亿年又将增加40%。气候模型显示抵达地球的辐射增加,可能会有可怕的后果,包括地球的海洋可能消失。
太阳的生命周期
  地球表面温度的增加会加速无机的二氧化碳循环,使它的浓度在9亿年间还原至植物致死的水平(对C4光合作用是10 ppm)。缺乏植物会导致大气层中氧气的流失,那么动物也将在数百万年内绝种。而即使太阳是永恒和稳定的,地球内部持续的冷却,也会造成海洋和大气层的损失(由于火山活动降低)。在之后的十亿年,表面的水将完全消失,并且全球的平均温度将可能达到60°C。  太阳,作为它的演化的一部分,在大约50亿年后将成为红巨星。模型预测届时的太阳直径将膨胀至现在的250倍,大约1天文单位(149,597,871千米)。地球的命运并不很清楚,当太阳成为红巨星时,大约已经流失了30%的质量,所以若不考虑潮汐的影响,当太阳达到最大半径时,地球会在距离太阳大约1.7天文单位(254,316,380千米)的轨道上,因此,地球会逃逸在太阳松散的大气层封包之外。然而,绝大部分(如果不是全部)现在的生物会因为与太阳过度的接近而被摧毁。可是,最近的模拟显示由于潮汐作用和拖曳将使地球的轨道衰减,也有可能将地球推出太阳系。

对地球的描述

  地球经常被描绘为神迹、神创的。在北欧神话中,地球之神是娇德,娇德是索尔之母,是安那尔之女。  地球有时也被描绘为一艘结实的宇宙飞船。并带有一个需要维护的生命支持系统。  因为地球是如此庞大,在过去人类使用肉眼是很难观测出其整体表面是呈现扁球状的(赤道微隆两极稍平),以至于产生了多种关于平面地球的信仰。在太空飞行发明之前,这种信仰已经一点一点借由观测其他行星形状以及观测到地面球形产生的次生效应(如观察远处船只总是先看见帆再看见船身)而逐渐为人所不信。  旅行者1号拍摄的一张地球照片使卡尔·萨根得到灵感,他把地球描绘为一个宇宙中的暗淡蓝点。  科幻小说中,地球经常是幻想中星系/银河政府的首都或主要管理中心(当星系政府是由人类统治时尤其如此)。经常的,在科幻作品中地球是一个人类统治具有代表性的联邦共和国、帝国或专制统治也偶尔可见——如在《星舰奇航记》和《巴比伦5号》中那样。  尽管如此,在其他科幻作品中,未来的人类将不再记得这个他们祖先曾生活的星球(如《基地系列》),或即使记得也因为污染过分而离开(如《沙丘》系列),或者相反在现代地球的同时代的平行世界中,超古代文明的太空移民离开和遗忘(如《星际大争霸》),还有在远未来的地球生态被一度破坏,还有一小部分人留下和在生态回复后,与重返者冲突(如《Turn A》)。  在道格拉斯·亚当斯写的《银河系漫游指南》系列中,他把地球描绘为是“基本无害”的。 在PS2游戏系列《Xenosaga》中,根据其故事背景,人类已经离开地球许久,而地球在其中也被人类赋予了一个名字:“失落的耶路撒冷”。

一种新的地球系统观——盖亚假说

  盖亚假说(Gaia hypothesis)是由英国大气学家拉伍洛克(James E.lovelock)在 20世纪60年代末提出的。后来经过他和美国生物学家马古利斯( Lynn margulis)共同推进,逐渐受到西方科学界的重视,并对人们的地球观产生着越来越大的影响。同时盖亚假说也成为西方环境保护运动和绿党行动的一个重要的理论基础。本文将对盖亚假说的提出和发展、盖亚假说的科学内涵及其争论、由盖亚假说所导致的新的地球系统观和盖亚假说给人们的启示等方面进行阐述和讨论。

·盖亚假说的提出和发展

  60年代初,正在美国国家喷气动力实验室工作的拉伍洛克接受了美国国家航空航天局(NASA)关于火星上是否存在生命的研究课题。他提出了一种直接分析火星上的大气构成,而不用把航天器降落到火星表面来定点寻找生命是否存在的想法。他认为如果一个行星存在生命,必定要求其大气既作为生命有机体的一种原料资源,又作为生命有机体的一种废物排放之地。行星大气对生命有机体的这两种用途将改变大气构成,使其远离化学平衡态。如果观测到的一个行星的大气构成远离化学平衡态,则可能存在生命。带着这种想法,他开始考察当时已知其大气构成的火星和金星,发现这两颗行星的大气构成都接近化学平衡态。大气的主要成分是一般不进行化学反应的二氧化碳。因此,两者都不应该存在生命。为了肯定这一预言,他开始考虑有生命存在的地球大气的构成,发现其远离化学平衡态,如大气中高达21%的活性气体氧气和1.7ppm(百万分率)沼气能共存(由于在阳光下沼气和氧气会起化学反应,形成二氧化碳和水,要维持沼气1.7ppm的比率,每年需要5 亿吨沼气由能产生沼气的生物体排出),而二氧化碳只有万分之几。  正是在这个时候,即1965年秋的一天,盖亚想法出现在他的脑海里,即地球大气的这种独特的和不稳定的气体混合比率为什么在相当长的时间内能维持不变呢?是否地球上的生物不仅生成了大气,而且调节大气,使其保持一种稳定的气体构成,从而有利于生物体的存在呢?  当时他对这种控制系统的性质还没有任何想法,只是认为地球表面的有机体必定是这个系统的一部分,并且气体的构成可能是被调节的因素之一。后来,他从天体物理学家那里得知,恒星随着年龄的成熟,发热能力会增大;自从36亿年前地球上有生命以来,太阳的发热能力已经增强了25%。然而地球却保持了有利于生命存在的温度。在如此长的时间内,地球的气候是否会被有效地调节呢?此时,一种涉及整个行星和行星上生命的控制系统概念在他的大脑里牢固地建立起来。  但这时他没能继续推进他的这种观点,而是推进他的更小的目标,说服喷气动力实验室研究生命科学的同事们接受大气分析是探测其它行星上是否存在生命的有效方法。他当时并没有意识到,如果他们接受他的观点就意味着承认火星上几乎不可能存在生命。这可能导致取消去火星上直接探测生命是否存在的海盗号飞船计划。  尽管这样,NASA对他的这种危险的观点还是很宽容的,并允许他在这方面继续工作。他的一个天文学同事赛甘(Carl Sagan)是ICARUS(航程无限的洲际宇宙火箭)杂志的主编,虽然不同意他的通过大气分析来探测行星上是否存在生命的观点,但同意在其杂志上发表他的有关论文。而他把地球作为一个自调节系统的文章是在1968年美国航空学会会议上首次发表的。但把地球作为一个超级有机体并用盖亚(Gaia)来命名则是1972年的事。他接受了在英国家乡的邻居、小说家勾尔丁(wil-liam Golding)的建议,用盖亚这个古希腊地球女神的名字来命名。随后他与杰出的生物学家马古利斯合作来发展他的盖亚假说。  但拉伍洛克和马古利斯关于盖亚假说研究论文的发表遇到了阻力。《科学》和《自然》等重要科学刊物虽然对他们的论文很感兴趣,但不能通过同行评审。在这些评审者看来他们的观点是危险的。尽管他们的论文没能在这些重要的刊物上发表。但拉伍洛克常常被邀请参加各种学术会议,并以会议文集的形式发表他们有关盖亚假说的研究论文。1989年美国地球物理联合会选择盖亚作为学术会议的主题,几百名科学家和学者参加了会议,并于1993年出版了《科学家论盖亚》(Scientistson Gaia)大型文集。从此尽管科学界对盖亚假说有不同的观点,但以此为主题进行研究的科学家越来越多,特别是近年来NASA在全球生态学、生物圈学和地球系统科学的名义下支持此类研究,使得其影响也越来越大。一些科学哲学家、环境保护主义者和政治家等也从各自的角度关注和讨论盖亚假说,有关的论文和书籍也越来越多。

·盖亚假说的科学内涵及其争论

  现代科学把地球作为一个超级有机体的思想并不是拉伍洛克最先提出的。早在1785年被称为地质学之父的哈顿(James Hutton)就指出:“我认为地球是一个超级有机体并且应该用生理学的方式对它进行恰当的研究”。 他利用血液循环和氧与生命之间的联系等生理学的发现来看待地球的水循环和营养元素的运动。然而,到了19世纪哈顿的这种把地球作为一个整体来进行研究的观点被抛弃了。地球科学和生命科学分离了。地质学家认为,地球环境的变化只不过由化学的和物理的过程所决定;而生物学家则认为不管地球环境如何变化,对有机体来说,只是个适应的问题。甚至达尔文也没有认识到,我们呼吸的空气、海洋和岩石或者是生命有机体的直接产物,或者被生命有机体大大地改变了。    直到1945年,被称为现代生物地球化学之父的俄国科学家沃纳德斯基(Vladimir Vernadsky)才认识到生命和物质环境是相互作用的,大气中的氧气和沼气是生物的产物,并建立了一种生命和物质环境两者共同进化的理论。但这种共同进化论很象精神上的朋友关系,生物学家和地质学家保持朋友关系,但不是密不可分的关系。这种共同进化论不包括由地球上的生物和其物质环境所构成的系统主动地调节地球的化学构成和气候;更重要的是,它没有把地球看作一个活着的有机体,更没有把它看作一个生理的系统。    盖亚假说把共同进化论向前推进了一大步。它认为地球上的生命和其物质环境,包括大气、海洋和地表岩石是紧密联系在一起的系统进化。它把地球看作一个生理的系统,拉伍洛克甚至直接把盖亚假说称为地球生理学。正象生理学用整体性的观点看待植物、动物和微生物等生命有机体一样、地球生理学是把地球作为一个活的系统的整体性科学。拉伍洛克认为这种地球生理学是一种硬的和严格的科学。它主要研究诸如大气和温度调节系统的性质。它也是行星医学(Planetary medicine)这个实际经验领域的基础。它不能打破现代科学思想和实验的诚实传统。它是哈顿和沃纳德斯基有关思想和理论的继承和发展。    作为一个科学假说,盖亚假说不仅是要描述世界的真实图景,更重要的是它能刺激人们有效地提出问题和预测,随后的研究或者证实其预测,或者拓宽有意义的研究领域。这样,盖亚假说就有效地推动了研究的进展。盖亚假说的预测有些已经得到证实,有些还在研究之中有待证实。例如,1968年根据盖亚假说预测火星上没有生命,1977年海盗号飞船予以证实;1971年预测有机体产生的化合物能把一些基本元素从海洋转移到大陆表面上来,1973年二甲基硫和甲基碘被发现;1981年预测通过生物地增强岩石的风化,二氧化碳可以控制调节气候,1989年发现微生物大大加速了岩石的风化;1987年预测气候调节通过云密度的控制与海藻硫气体的释放相联,1990年发现海洋云层的覆盖与海藻的分布在地理上是相配的,此预测还需要进一步的证实;1973年预测在过去的2 亿年里大气里的氧气保持在21±5%的水平,这一预测在证实中;1988 年预测,太古代的大气化学由沼气主导着,此预测在证实中;等等。总之,盖亚假说在预测和证实的意义上完全遵循现代科学产生以来的传统,并大大拓展了研究的视野。  盖亚假说也引起了科学界的激烈争论。第一类争论是由对概念的理解不同引起的。盖亚假说的核心思想是认为地球是一个生命有机体。但对生命是什么,不同的学科有不同的定义。物理学家把生命定义为一个系统通过吸收外界自由能和排除低能废物,而使内熵减少的一种特殊状态。新达尔文主义生物学家把生命定义为一个有机体能够繁殖后代并通过在其后代中的自然选择来修正繁殖错误。生物化学家把生命定义为一个有机体在遗传信息的指导下,利用阳光或食品等自由能而生长。而盖亚假说或地球生理学家把生命定义为一个有边界的系统、通过与外界交换物质和能量,在外界条件变化的情况下,能保持内部条件的稳定性。  盖亚假说对生命的定义在物理学家和生物化学家各自对生命定义的范围内,因此,他们从概念上往往不反对盖亚假说。而新达尔文主义生物学家则反对和嘲笑盖亚假说。他们说,地球不能繁殖,不能在与其它行星的竞争中进化,怎么能说地球是生命有机体呢。而拉伍洛克争辩说,新达尔文主义生物学家对生命的定义太狭窄。他指出生命大体有繁殖、新陈代谢、进化、热稳态、化学稳态和自我康复(医治)等特性,但不是所有的生命形式都完全具有这些特性。正象微生物和树木没有热稳态特性,人们仍把它们作为生命有机体一样,地球没有繁殖特性,同样也可以作为生命有机体。  1985年拉伍洛克接受美国物理学家罗瑟斯坦(Jerome Rothstein)的建议,把盖亚形象地比作美国西海岸的红杉树。一颗红杉树97%以上的部分是死的,只有树皮下和木质外围之间的形成层和树叶、花和籽是活的。同样,地球绝大部分是死的,只有散布着各种生命有机体的地表的“形成层”才是活的。另外,树皮和大气也分别起着相似的作用。  第二类争论是由对盖亚假说所包含的不同层次的含义的理解不同引起的。盖亚假说至少包含5 个层次的含义:一是认为地球上的各种生物有效地调节着大气的温度和化学构成;二是地球上的各种生物体影响生物环境,而环境又反过来影响达尔文的生物进化过程,两者共同进化;三是各种生物与自然界之间主要由负反馈环连接,从而保持地球生态的稳定状态;四是认为大气能保持在稳定状态不仅取决于生物圈,而且在一定意义上为了生物圈;五是认为各种生物调节其物质环境,以便创造各类生物优化的生存条件。对于前两层含义(常常被称为弱盖亚假说)一般没有争论;而对于后三层含义(常常被称为强盖亚假说)就有很大的争论。其争论表现在如下几个方面:  第一,如果把盖亚作为一个负反馈调节系统,那么怎样理解该系统的目标,是某种意义的设计呢,还是系统本身的自发状态呢?拉伍洛克认为这个系统本身有一种稳定状态。但盖亚假说的批评者认为,盖亚假说没有独立的目标定义,即大气服务于不管大气如何行为的目标。  第二,如何理解盖亚的自动平衡态。盖亚假说的批评者指出,地球产生以来,大气中的氧气、二氧化碳和沼气的含量已经发生了很大的变化,它怎么能保持自动平衡呢?而拉伍洛克则解释说,盖亚作为一个活的系统,其稳定态不是永远不变的,而是一种动态的稳定。在外界条件变化很大的情况下,这个系统通过自动调节,只产生微小的变化,从而保持有利于生命存在和进化的条件。  第三,如何理解模型的功能。尽管拉伍洛克及其合作者和支持者根据盖亚假说,能得到一些预测,并且有些预测已经得到了证实,但把盖亚作为一个整体系统来研究,只能建立计算机模型和进行模拟实验。拉伍洛克及其合作者为盖亚假说研制了名为雏菊世界(Daisy world )的模型并进行了大量的模拟实验,来研究和说明地球生态系统的结构、行为和运动机制。盖亚的批评者则认为模型只是研究的一个工具,不能代替对地球生态系统的实际研究。如果盖亚假说主要是通过模型研究而不是通过实际研究,那么就很难说它是“科学的”。应该看到,盖亚假说作为一个具有科学革命意义的学说,在科学界引起激烈的争论是一种正常现象。正是这种争论已经并将继续推动其向前发展。   

·一种新的地球系统观

  盖亚假说不仅具有上述科学意义,而且具有很大的精神意义。拉伍洛克用盖亚来为其学说命名本身就表明这个假说的精神价值。在古希腊神话中,盖亚是宇宙浑沌的女儿,是地球母亲,其他许多神都是她的后代。很显然,地球母亲的思想,作为一种世界观在古希腊时期就出现了。到了中世纪,地球母亲的世界观有时被象征性地或隐喻性地来理解,上帝通过她创造地球上的各种生命形式。随着现代自然科学的兴起,地球母亲的观念变为一种浪漫的和富有诗意的传统,而离开了自然科学。但作为现代地球科学、大气科学、生态学和微生物学等领域交叉最新成果的盖亚假说,又复活了地球母亲的观念,并赋予其现代意义,这是一种新的地球系统观。  盖亚假说认为,地球不仅容纳了千百万种生命有机体,而且它本身也是一个巨大的生命有机体。岩石、空气、海洋和所有的生命构成一个不可分离的系统。正是这个系统的整体功能使得地球成为生命存在之地,也就是说,生命要依靠整个地球的规模才能生存。地球上物种的进化与其物理和化学环境的进化紧密地联系在一起,构成单一的和不可分割的进化过程。  盖亚假说的提出与拉伍洛克“从上到下”的系统思维方式密切相关。作为要探讨其它行星上是否存在生命的大气学家、拉伍洛克没有采用“从下到上”的传统的还原论的思维方式,即没有采用从最小的生命形式开始,逐渐扩展到大的生命系统的方式,而是站在地球之外,把整个地球作为一个系统,并把地球系统与火星系统和金星系统相比较,从而提出盖亚假说的。拉伍洛克指出:“当我们从外层空间向地球运动的时候,首先我们看到的是包围着盖亚的大气外围;然后看到的是诸如森林生态系统的边界;然后,看到的灵活着的动物和植物的皮;进一步是细胞膜;最后是细胞核和DNA。 如果生命被定义为能够主动地维持低熵特性的自组织系统,那么,从每一个层次的边界之外来看,这些不同层次的系统都是活着的。”〔2〕正因为拉伍洛克把地球作为一个整体, 并采用“从上到下”的系统的思维方式,才能提出盖亚假说。这也表示盖亚假说是一种新的地球系统观。  盖亚假说作为一种新的地球系统观的意义在于,它能直接或间接地帮助回答当今人类所面临的生态问题和世界观问题。首先,全球生态环境恶化是人类当今面临的最严重的问题之一。盖亚假说启示人们,环境问题是涉及整个地球生态系统的问题,要解决这个问题不仅需要用系统的或整体的观点和方法来认识人类生产和生活方式对生态环境影响,而且需要人类共同行动。同时,盖亚假说也从道义上启示人们,包括人类在内的所有生物都是地球母亲的后代,人类既不是地球的主人,也不是地球的管理者,只是地球母亲的后代之一。因此,人类应该热爱和保护地球母亲,并与其他生物和睦相处。第二,盖亚假说对于回答生命的目的问题给人们新的启示。生命的存在依赖于整个地球生态系统,它是一个能进行自我调节的负反馈系统,其目标就是体内平衡的状态,即各种生物及其环境和睦的平衡状态,从而使生命在全球范围内健康成长。人类只有与盖亚和睦相处,致力于她的健康,欣赏她的美丽和报答她的恩惠,才能发现生命的意义。第三,盖亚假说对于回答所谓宇宙设计问题给人们新的启示。盖亚假说认为,地球本身有一定的次序和结构,从而形成一种体内自动平衡态。这只是事物进化的一种方式,而不需要有意的设计。同样,宇宙本身也有一定的次序和结构,而不必需要有意的设计。(来源:肖广岭《盖亚假说——一种新的地球系统观》)

世界地球日

  世界地球日即每年的4月22日,是一项世界性的环境保护运动。最早的地球日活动是1970年代于美国校园兴起的环保运动,1990年代这项活动从美国走向世界,成为全世界环保主义者的节日和环境保护宣传日,在这天不同国籍的人们以各自不同的方式宣传和实践环境保护的观念。
    1969年美国民主党参议员盖洛德·尼尔森在美国各大学举行演讲会,筹划在次年的4月22日组织以反对越战为主题的校园运动,但是在1969年西雅图召开的筹备会议上,活动的组织者之一,哈佛大学法学院学生丹尼斯·海斯提出将运动定位在于全美国的,以环境保护为主题的草根运动。1970年4月22日在美国各地总共有超过2000万人参与了环境保护运动,这次运动的成功使得在每年4月22日组织环保活动成为一种惯例,在美国地球日这个名号也随之从春分日移动到了4月22日,地球日的主题也转而更加趋向于环境保护。
    现在人们普遍认为1970年4月22日在美国发生的第一届地球日活动是世界上最早的大规模群众性环境保护运动,这次运动催化了人类现代环境保护运动的发展,促进了发达国家环境保护立法的进程,并且直接催生了1972年联合国第一次人类环境会议。而1970年活动的组织者丹尼斯·海斯也被人们称为地球日之父。