现在科学家们已基本掌握了地磁场的分布与变化规律,但是,对于地磁场的起源问题,学术界却一直没有找到一个令人满意的答案。
目前,关于地磁场起源的假说归纳起来可分为两大类,第一类假说是以现有的物理学理论为依据;第二类假说则独辟蹊径,认为对于地球这样一个宇宙物体,存在着不同于现有已知理论的特殊规律。
属于第一类假说的有旋转电荷假说。它假定地球上存在着等量的异性电荷,一种分布在地球内部,另一种分布在地球表面,电荷随地球旋转,因而产生了磁场。这一假说能够很自然地通过电与磁的关系解释地磁场的成因。但是,这个假说却有一个致命缺点,首先它不能解释地球内外的电荷是如何分离的;其次,地球负载的电荷并不多,由它产生的磁场是很微弱的,根据计算,如果要想得到地磁场这样的磁场强度,地球的电荷储量需要扩大1亿倍才行,理论计算和实际情况出入很大。
以地核为前提条件的地磁场假说也属于第一类假说,弗兰克在这类假说中提出了发电机效应理论。他认为地核中电流的形成,应该是地核金属物质在磁场中做涡旋运动时,通过感应的方式而发生的。同时,电流自身形式的场就是连续不断的再生磁场,好像发电机中的情形一样。弗兰克所建立的模型说明了怎样实现地磁场的再生过程,解释了地磁场有一定的数值。但是在应用这种模型的时候,却很难解释地核中的这种电路是怎样通过圆形回路而闭合的。此外,这个模型也没有考虑到电流对涡旋运动的反作用,而这种反作用是不允许涡旋分布于平行赤道面的平面内的。
属于第一类假说的还有漂移电流假说、热力效应假说和霍尔效应假说等,但这些假说都不能全面地解释地磁场的奇异特性。
关于地磁场起源还有第二类假说,这其中最具代表性的就是重物旋转假说。
1947年,布莱克特提出任意一个旋转体都具有磁矩,它与旋转体内是否存在电荷无关。这一假说认为,地球和其他天体的磁场都是在旋转中产生的,也就是说星体自然生磁,就好像电荷转动能产生磁场一样。但是,这一假说在试验和天文观测两方面都遇到了困难。在现有的实验条件下,还没有观察到旋转物体产生的磁效应。而对天体的观测结果表明,每个星球的磁场分布状况都很复杂,尚不能证明星球的旋转与磁场之间存在着必然的依存关系。 因此上说,关于地磁场的起源问题,学术界仍处在探索与争鸣之中,尚没有一个具有相当说服力的理论,对地磁场的成因作出解释。
法国科学家布容1906年在法国司马夫中央山脉地区对这里的火山岩进行考察时,却意外地发现那里的岩石的磁性与磁场的方向相反。此后,这一类现象被越来越多地发现,对它的研究也越来越深入。人们终于发现,地球的磁场并非永恒不变的,现在位于南端的北磁极会转到北端去,而位于地球北端的南磁极则会转到南端去。这就是物理上所称的“磁极倒转”。
在研究中科学家还发现磁极倒转的现象曾在地球的历史上发生过许多次。据统计,仅在最近的450万年里,就可以划分出4个极性相异的时期,地磁场的方向从现在到69万年前称为“布容正向期”,基本和目前一样;从69万年到253万年前,称为“松山反向期”,地磁场方向和现在恰好相反;从253万年到332万年前,称为“高斯正向期”,地磁场方向又与现在相同;从332万年到450万年前,称为“吉尔伯反向期”,地磁场又同现在相反。
但是,地磁场方向在每一个磁性时期里,也并不是始终如一的,有时会发生被人们称为“磁性事件”的短暂的极性倒转的现象,例如,在布容正向期里,就发生过被称为“V带”和“X带”的反向事件;在松山反向期中,则发生过“吉尔赛”、“贾拉米洛”等正向事件。
当然,在更古老的地质历史时期里也同样存在着地球磁场的这种“翻跟头”式的变化,只不过是时间太过久远,我们还没有办法对其变化的具体时限进行确定。
那么为什么地磁场会发生变化呢?有人认为,这可能是地球被巨大的陨石猛烈撞击后导致的结果,因为猛烈的撞击能促使地球内部的磁场身不由己地翻转一个跟头;也有人认为,这与地球追随太阳在银河系里漫游相关,因为银河系自身也带有一个磁场,这个更大的磁场会对地球的磁场产生影响,从而促使地球的磁性会像罗盘中的指南针一样,随着银河系磁场的方向而不断地变化;还有人认为,由于地球本身的演变导致了磁极倒转的发生。总之,关于地磁场变化的原因,至今仍众说纷纭,莫衷一是。
7.氧气是否会被耗尽
氧气是空气的组分之一,无色、无臭、无味。氧气比空气重,在标准状况(0℃和大气压强101325帕)下密度为1。429克升,能溶于水,但溶解度很小。在压强为101kPa时,氧气在约-180摄氏度时变为淡蓝色液体,在约-218摄氏度时变成雪花状的淡蓝色固体。
世界上最早发现氧气的是我国唐朝的炼丹家马和。马和认真地观察各种可燃物,如木炭、硫磺等在空气中燃烧的情况后,提出的结论是:空气成分复杂,主要由阳气(氮气)和阴气(氧气)组成,其中阳气比阴气多得多,阴气可以与可燃物化合把它从空气中除去,而阳气仍可安然无恙地留在空气中。马和进一步指出,阴气存在于青石(氧化物)、火硝(硝酸盐)等物质中。如用火来加热它们,阴气就会放出来,他还认为水中也有大量阴气,不过常难把它取出来。马和的发现比欧洲早1000年。
马和把毕生研究的成果记录在一本名叫《平龙认》的书中,该书68页,出版日期是唐至德元年(756年)3月9日,一直流传到清代,后被德国侵略者乘乱抢走。
1774年英国化学家J。普里斯特利里和他的同伴用一个大凸透镜将太阳光聚焦后加热氧化汞,制得纯氧,并发现它助燃和帮助呼吸,称之为“脱燃素空气”。瑞典C。W。舍勒用加热氧化汞和其他含氧酸盐制得氧气虽然比普里斯特利还要早一年,但他的论文《关于空气与火的化学论文》直到1777年才发表,但他们二人确属各自独立制得氧。1774年,普里斯特利访问法国,把制氧方法告诉A。-L。拉瓦锡,后者于1775年重复这个实验,把空气中能够帮助呼吸和助燃的气体称为oxygene,这个字来源于希腊文oxygenēs,含义是“酸的形成者”。因此,后世把这三位学者都确认为氧气的发现者。
氧是构成生命的重要元素之一,它是以气体形式存在于自然界中的合成物——氧气是地球上大多数生命进行各种活动所必需的物质之一。不过,也有人担心氧气会被耗尽,那么,这种担心是不是真的像“杞人忧天”那样毫无根据呢?
在空气中氧气占21%,我们和其他生物呼吸空气中的氧,释放出二氧化碳,即体内废气。一个健康的成人每天大约需吸入500升的氧气,呼出约400升的二氧化碳;除人类外大部分其他生物同样也吸收氧而释放二氧化碳。通常,大气中的水蒸气和二氧化碳的含量是不变的,一般二氧化碳含量为百万分之三,但是生产的发展使煤、石油、天然气等含碳燃料被大量使用,造成了大气中的二氧化碳逐年增加。美国世界观察研究所公布了一份报告统计,100年前全世界每年进入大气的二氧化碳仅为9600万吨,而目前则达到50亿吨,预计在最近10年将递增到80亿吨,增长速度惊人。
早在100多年前,就已有人为二氧化碳含量的增加而担心了。1898年,英国物理学家凯尔文曾指出:随着工业的发展和人口的增多,这种情况十分让人担心。地球上的氧气500年后将全部被消耗光,只剩下日益增多的二氧化碳。
二氧化碳增多的直接后果是地球的“温室效应”。同时,它还使地球的温度上升,冰川融化。据科学家预测,如果南极大陆的冰川因高温而融化,其增加的水量则可使美国的摩天大楼淹没20层,并淹没掉荷兰等一些地势较低的国家,使它们不复存在。那时的陆地面积很可能只占地表面积的5%~10%。在更为狭小的陆地上将生存全世界60~70亿的人口,人类恐怕也会逐渐灭绝。
那些和凯尔文一样担心氧气将会被耗尽的人们,只看到了问题的一个方面。事实上,除了绿色植物在消耗二氧化碳外,科学家们还发现在二氧化碳和水的作用下,岩石中所含的碳酸钙会变成酸式碳酸钙,这种形式的碳酸钙可以溶解在水中。据分析,每年由于岩石风化耗掉大约40亿~70亿吨二氧化碳,这些风化的岩石随着江河流入大海,它再与石灰化合并重新形成石灰石,并以新的岩石的形式沉入海底。
当然不必担心氧气会被耗尽的主要理由是,地球上生长着种类丰富、数量众多的绿色植物。世界上大量的绿色植物在光合作用中会吸收大量的二氧化碳,同时排出氧气。据科学家们实验分析,三棵大桉树每天吸收的二氧化碳,相当于一个人每天所呼出的二氧化碳的量。因而一些人乐观地认为,地球不会变成二氧化碳的世界,但二氧化碳的含量也会略有增加。各国科学家积极探索一些新途径,希望能减少二氧化碳的排放量,并尽可能将其再生利用,但是却没有更好的方法增加氧气的生成。专家们认为,减少森林面积的流失、保护绿色植物就是人类最好的保护氧气的方法。这些大量的绿色植物生产了我们人类赖以生存的氧气。
我们可以想象,如果有一天地球上的氧气被消耗殆尽的话,将会出现多么恐怖的场景。而地球上的氧气是否真的会耗尽,则取决于人类的努力程度。如果人类不加克制地乱砍乱伐林木,破坏生态平衡,势必会造成氧气生成机制的阻碍,那么我们真的可能会在某一天面临缺乏氧气的危机。反之,若人类能未雨绸缪,尽早地采取相应措施,就有可能避免氧气被耗尽的窘境。一切都取决于我们人类自身的行为。
8.探秘大陆漂移说
在世界地图被绘制出来之前,几乎没有人对我们生活于其中的这个星球的海陆分布状况产生过疑问,人们对大陆形状的兴趣产生于第一张世界地图产生之后。在对现有海陆分布情况做出解释的各种学说中,“大陆漂移说”影响最大,也最具争议。那么,“大陆漂移说”到底成不成立呢?
麦卡托是一名荷兰学者,他于16世纪末结合人类长期积累的地理资料,依据地理大发现,绘制出人类第一张世界地图。由此,人们对地球表面的基本地理状况有了比较准确的了解,许多人还因此对大陆状况产生了兴趣。科学家在19世纪末发现了一种蚯蚓,叫做“正蚯蚓”,它在欧亚大陆与美洲东海岸广泛分布,但在美洲西部却没有。这显然说明,正蚯蚓很可能是从大西洋彼岸的欧亚大陆“迁徙”到了美洲东海岸。这一发现令当时的许多科学家百思不得其解。
魏格纳是一名德国气象学家,1910年,30岁的他曾因病住院。有一天他躺在床上出神,床对面墙上有一幅世界地图。突然他从地图上获得了某种灵感,发觉大西洋两岸的轮廓非常吻合,他还发现非洲一边的海岸线与南美洲一边的海岸线看上去就像一张被撕成两半的报纸,凹凸相对。他认为美洲与非洲原来是连在一起的,但这个念头一闪而过,并没有深究。
1911年秋天,魏格纳读到了密卡尔逊写的关于蚯蚓奇怪分布的书。读后魏格纳不禁想到他在一年多以前注意到的那个奇怪现象,即非洲的西海岸与南美洲的东海岸中一个大陆的凸出部分正好与隔海相望的大陆的凹入部分相似,且遥相呼应。他不由地猜测,本来就是一整块的大西洋两岸大陆后来破裂漂移开来,成为现今的东西两个海岸线。如果是这样,蚯蚓就不是横渡大洋了。沿着这个思路,他又进行了许多研究。魏格纳在1912年发表了一篇论文,在论文中他提出了“大陆漂移说”。1915年他出版了一本轰动世界地质界的著作,书名叫《大陆与海洋的起源》。他认为,地球在远古的时候只有一块陆地,这块陆地叫做“泛古陆”;一个统一的大洋包围着这块泛古陆,这个大洋叫做“泛大洋”。大约2亿年前,地球上发生了一次重大的变化,泛古陆在这次变化中开始发生破裂。破裂了的大陆在地球自转和天体引力的影响下向外漂移,像航行在水面上的船舶一样。这些漂移的大陆在距今约两三百万年前,终于漂到了今天的位置,形成了七大洲、四大洋,即现代地球版图的基本面貌。
许多人对大陆漂移说持怀疑态度,因为人们不相信庞大的大陆可以在水中漂移。另外,限于当时的研究水平,魏格纳的理论也存在着许多破绽和缺陷。1930年,在第四次前往格陵兰考察时,魏格纳不幸遇难,大陆漂移说也因此沉寂下来。这一学说一度几乎被人们完全遗忘。
随着海洋地质研究的深入,古地磁研究所总结的大量资料,魏格纳的大陆漂移学说在20多年后,又在新的理论基础上重新获得了生命力。
英国物理学家布莱克特是专门研究古代地磁学的专家。1954年,他找到了大陆漂移的直接证据。1961年英国人赫兹依据沿大洋海岭对称分布有磁性条带这一新发现,提出了地幔对流和海底扩张说。他设想新地壳的诞生处是大洋的海岭,地幔中的物质不断从海岭当中的裂缝中流出来,并凝结在海岭两边,造成海岭不断向外扩张,并以一浪接一浪、后浪推前浪的方式运动。赫兹认为,迄今这种运动仍然在持续进行。
1968年,法国人勒皮雄提出板块构造理论。这种理论认为地球的外壳由二十几个大板块组成,其中最基本的是太平洋板块、印度洋板块、美洲板块、欧亚板块、非洲板块、南极洲板块等6大板块。根据他的板块构造理论,地壳不断发生变化,在整个地质时代载着大陆的板块都在运动着,地球大陆在漫长的年代里实际上被“撕裂”过若干次。新的海洋就在它们被撕裂时形成了,但有时大陆在板块相互碰撞的情况下又粘接在一起,原来的海洋地带就变成了陆地,在别的地方又撕裂成了新的海洋。
通过大洋海岭的扩张,海底也同样不断扩张,这一点成功地解释了目前地球海陆的分布状态。板块学说是一种全新的地理学观念,它指出:大陆和海洋都有分有合,有生有灭,并随着更多的观测事实的积累,20世纪60年代以后,大陆漂移论又在新的理论基础上复活。现在通过人造卫星的精密测量,人们已经证实:大西洋在以每年1.5厘米的速度扩展,太平洋上的夏威夷群岛与南美大陆和北美大陆相互靠近的速度是平均每年5.1厘米,澳洲与美洲大陆分离的速度则达到了每年1厘米。但是,这并不意味着这一学说已经被所有的人无条件地接受了。
时至今日,人们仍不太相信这个理论。一些科学家就认为“大陆漂移说”的前提是地球体积和地表总面积固定不变,这是从对地壳变动的认识来分析问题的,因而有许多疑点无法解释。他们认为相似的“板块构造说”也是如此。但勒皮雄关于大陆本来连在一起的思想启发了许多研究者,包括后来怀疑、反对他的研究者。
关于大陆漂移说成立与否的争论还在继续,许多新的学说还在不断涌现,到底孰是孰非,尚无定论。但是可以肯定的是,随着对该问题探讨的深入,人类对它的认识必将日益接近真相。