雪球事件,初中物理实验教学中培养学生实践创

2019-12-28 作者:开元棋牌资讯   |   浏览(129)

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对浮生须臾的人类来说,地球46亿年的浩瀚历史,无疑是一部充满震撼的长镜头。有太多封存在时光深处的场景,足以冲击我们最极限的想象力。就比如说,你能脑补出整个地球被全体冰封时的样子吗?很可惜,这不是特效大片也不是魔幻现实,而是可能发生在七亿年前的真实场景。

“这年头搞星际主题的科幻,不毁掉一两个星球总感觉不是那码事儿”——前段时间热映的科幻电影《超人·钢铁之躯》算是再次验证了这句话。这次超人不仅没了内裤,也没了母星。当载着还是氪星婴孩的超人的飞船向地球驶去后不久,氪星便从内核向外爆裂,连同它的文明一起,刹那间化为了宇宙的尘埃。

LIGO将重大升级,继续领跑全球引力波探测

在这段时期,整个地球近乎被冻成了个宇宙大雪球。从极地到赤道,地球的表面全部被冰盖所遮覆。干燥的空气磨蚀着苍凉的陆地,广袤的大洋被全部冻结,哪怕你站在热带,感受到的也是今日南极的温度;脚跨赤道,看到的也不外乎是一片晶莹的苍白。没错,这就是新元古代的“雪球事件”(SEE, The Snowball Earth Event),整个地球46亿年的极寒纪元。

图片 2撕裂行星?

行星自身从内部爆裂,在荧屏上来说是有够炫,但哪一天要是地球也被这么爆一回该怎么办?毕竟,地球是个能量罐,在其最深的内部,蕴含着10³¹焦耳的热量[1]。伟大的“地下太阳”——地核,封存着太阳系形成之前由超新星爆发而形成的放射性残留物质。这些封存在地核中的放射性同位素发生衰变产生的能量以地热的形式源源不断地输送出来,构成地球内部热源的80%。除此之外,地球形成于太阳系早期行星盘内大量碎屑物质的撞击成核。这个过程也会把那些成核小天体们的动能转化成内能,而这些能量能占到地球内部热源的20%左右[2]。所以,我们脚下的这片“冷冰冰”的大地,实质上是一个如此不得了的能量球。如果说生活中常见的煤气罐已经足以令人战栗,那么地球哪天如果调皮的话,后果还用多想吗。

当然文章到了这步,差不多该出现某个转折了,比如地学家和行星学家们会告诉人们大可不必如此杞人忧天。首先,咱们现在的地质运动:大到板块运动、地幔柱上涌、软流圈对流,小到地震、火山、热泉,归根溯源,能量的提供者都是最深部的那个聚变炉——地核。

图片 3深大冲击

深大冲击(Giant Impact),又译大碰撞说,是科学界为解释最早期地球系统形成而提出的一套假说。46-44亿年前的事儿,因此,可以算是恢宏地球叙事的第一章了。正如大家想象的那样,没人观测到这次事件,暂时也没有什么学者做实验来验证(就算有技术谁敢啊……),但这不妨碍该假说以最完备的解释而成为目前学界公认的主流学说[4],所以,接下来所有的信息都是依据该假说而进行的描述,不代表地球当时一定就这么爆过一次。简单来说,深大冲击过程是这样的:当时的地球轨道上,运行着两颗原行星。其中一个是咱们的主角地球,还有一个叫忒伊亚——据称有火星般大小。他们和其他天体小伙伴们一起绕着太阳转啊转、结果转着转着就撞到一块儿了。

地球跟“火星”相撞是个啥概念?据科学家描述,地球的早期地幔被直接撕开,忒伊亚直接轰进位于地球最深部的地核,两者都彻底烂掉了。你可能会想,这还了得啊,最深部的地核都被打开了这行星还能“行”不?还好,由于地核中相当高的比例是液态金属物质,因此,撞击之后,忒伊亚的铁核,可以像水中的石头一样沉入地球的核心,与之融合到一起,成为一个全新行星的内核;而两者的地幔主体也呈塑性,可以在撞击之后在引力的作用下相互吸积,成为破坏之后新生地球的地幔。最可怜的是这俩原行星最表层的固态物质(或者溅出的熔融物质冷凝而成的固体),就这样被巨大的撞击力抛进了茫茫太空。不过,它们中的很多却并没有跑去什么“星辰大海”,而是乖乖地被新地球巨大的引力固定在地球轨道上。碎屑们转着转着,由于初速度不一样,它们之间也会碰撞,融合,慢慢就把自己也转成个球了。这个球陪着新生的地球开始转,一转就是45亿年,直到今天,才有了一个听上去貌似还挺不错的名字——月亮。

当地时间2月15日,激光干涉仪引力波天文台科学合作组织宣布,接收到来自美国国家科学基金会、英国研究与创新机构和澳大利亚研究委员会共3500万美元的资金支持,将对其两个探测器进行重大升级。

雪球印象

雪球事件发生在距今七亿年前。七亿年,在历史的长河中,实在是一个颇为尴尬的节点。对地球诞生的原点来说,它足够漫长。40亿年的光景,早已让地球演化成了一个成熟的行星,它有了板块构造,有了稳定的大气,有了遍布海洋的简单生命,一切看上去早已井然有序;然而,对于站在时空这头的我们,七亿年又显得足够遥远,遥远到比寒武纪生物大爆发还要早上两亿年。那个时候,不仅恐龙们的中生代是遥遥无期的未来,甚至连三叶虫和角石也尚未登上地球舞台,只有蓝藻等单细胞动物,统治着当时那尚未喧嚣的海洋。它们在广阔的潮坪上安静地栖息,随着潮涨潮落,堆叠起韵律般的纹层。这些层层叠置的藻类遗迹,是后世唯一可以回溯至此的生命印记。

图片 4七亿年前的往事拼图

人们究竟是靠什么线索,断言出当时的地球就是这么一个宇宙级的大雪球呢?靠岩石。沧海桑田、往事不复,只有岩石的残片,是唯一能够穿越时空,将尘封的往事保留至今的星球遗迹。

作为岩石王国里的环境指示物,沉积岩——由地表沉积物压实固结而形成的岩类——是反应当时地表环境的直观快照。一层层的沉积岩,构成地层;一套套地层,又构成大陆表面直接披覆的“外皮”。所谓大陆,不外乎是蓝海中一座座庞大的“移动方舟”,它们会漂移、会裂解、也会在偶然的时段,合众为一。今天你脚下大地所处的位置,可能与千万年前大径相庭。除了位置不一样,大陆表面的环境也在无时不刻地改变着。这也是为什么哪怕你站在干旱的内陆,也同样有机会找到浅海贝壳的原因。

大陆漂移在这颗星球上延续了数十亿年,但科学家们却有一套完善的方式,揭示出大陆上的每一块沉积岩形成于何时、何地、以及何种环境,并以此来还原大陆漂移和环境变迁的历史:利用层序律和同位素时钟,他们能够确定出地层形成的年代;利用沉积岩中含磁矿晶的排列方位,他们能够还原出大陆当时所处的纬度。岩石的结构与构造,可以揭露沉积物生成的环境;而地层间的叠置关系,则记录着环境的演化与变迁。时间、地点、环境,当所有的铺垫都已到位,剩下的,就看怎么把遥不相及的残片,拼合为一个完整的叙事了。

在全球的各个大陆上,都或多或少地残留着元古代地层的遗迹。从苏格兰到纳米比亚,从澳州腹地到中国三峡…..当人们追溯这些属于7亿年前形成的地层时,发现它们基本上都残留着冰川曾经覆盖过的痕迹:这些沉积岩有着浅海波浪所形成的、独特而细腻的纹层,但在这些纹层中,却又截然分布着硕大的冰积巨砾。在外动力地质作用中,除了冰川外,大概没有什么外力能够如此偶然地把完全不属于一个水动力量级、甚至来源也截然不同的沉积物,放置到正常情况下完全不该它出现的环境里了。这样的构造,往往出现在高纬度地区。但是通过古纬度还原,却发现7亿年前这些地层根本不是高纬度的极区特产,而几近覆盖了从极地到赤道的全部地域。就这样,对“岩石古卷”的破译,最终把两个看上去风马牛不相及的词汇——赤道和冰川——活生生地凑到了一起。

图片 5死局

什么是死局?是所有不利因素偏偏在同一时刻出现,聚为合力?抑或是因果相连,形成一个愈加严峻的反馈链?很不幸,当时的地球,似乎把这两者都占了。

先说说合力的使然吧。一切的始作俑者似乎还在于大陆漂移。古纬度还原表明,在当时的地球上,各个板块已经聚合为联合大陆,处于中低纬度区间。由于大陆的表面是岩石,相较于大洋,对太阳光的反照率要强得多,而低纬度,偏偏又是地球接受太阳光最多的区域。陆地增加的直接后果,便是单位时间内整个地球系统获得的太阳能更少了。地表的温度输入主要靠阳光。“净收入”变少,是全球变冷的第一推力。

图片 6逃离永恒之冬

火山的及时救援,让地球从全面的凝结中,苏醒了回来。

在今人眼里看来,那种被称为极端火山作用(Extreme volcanism)的事件,无疑是生物圈的灭绝级大杀器。在显生宙历史上,只要把这个障碍搬出来,生物圈几乎必然要用一次大灭绝来交卷。我们熟知的那场二叠纪末大灭绝(>90%海洋物种灭绝殆尽),就是5.4亿年来最漂亮的杰作。然而在此时,这个让生物圈闻风丧胆的武器,却成了把死局盘活,把地球从雪球中拯救出来的功臣。当然,就像对付生物圈那样,对付冰雪的套路其实也没什么新鲜的:两者,都不是靠岩浆的温度来直接烘烤什么,而是靠输出气体来间接改变大气圈的成分。

当时那些被封进岩石圈,从而退出大气循环的温室气体们大概不会忘记,地球本身——其实是一个更加庞大的循环系统。锁进岩石圈?不要紧。岩石还要在板块构造的循环中被带回地幔里头呢。当岩石的枷锁融化为流动的岩浆,气体,也就重获了自由。随后,只用等火山作用适时打开重归地表的通道,这些溶于岩浆的挥发分,便会随着汹涌的热流一道,回到久违的大气层了。地表二氧化碳不是被消耗了吗?从地球内部再放出来一些就是了。

雪球时期,由于大量冰盖的影响,全球的岩石风化率进入了一个历史低位,地表温室气体的消耗因素几乎“触底”。此时,火山作用的净输入便显得尤为突出了。火山持续溢气,大气中的温室气体越聚越多,当它们的比例重新丰富到足以封存阳光,使平均温度能够重回冰点之上时,“白地球”便开始融化了。久违的蓝海出现,生命的家园复苏。然而始料未及的是,在经历“冬眠”后,生物圈的反应似乎远远超乎了元古代长期以来所表现出的样子。一个从雪球中醒来的生物圈,将要给地球带来多大的变革呢?

冲击见证

月亮,对,就是月亮。如果没有它,还真可能就没有深大冲击理论了。什么意思呢,首先,什么事件都只有在留下“物证”的情况下才能被侦探们发觉,所以,要想在时间上精确锁定一次远古地质事件,需要靠对固态行星物质(地球的“行星物质”嘛,其实就是岩石)进行定年。科学家们在地球上进行了大量的定年,但却永远突破不了38亿年这个线。换句话说,就是永远找不到比38亿年更老的岩石。由此,当时人们认为——地球差不多就是那个时候形成的。因为定年数据确实作为第一手证据在那儿摆着,当时的故事也就以这种形式一锤定音了。

自从人们盯上了月亮起,早期地球的故事便开始重新扑朔迷离起来。阿波罗登月的一系列新发现一下子扩充了早期地球历史的深度。对月岩样本定年发现,样本值可以轻松突破“38线”,在46亿-38亿年间开心分布,直到~45-~46亿年才重新出现一道坎儿。这着实是个很奇怪的事儿。在地球都没有的时代,那个月亮头居然存在着?这是什么节奏?赶紧改模型!为此,科学家们重新对地球早期历史做出了这样的解释:当时的地球表面还是一片完全融透的岩浆海,根本没有岩石能稳定保存下来,所以,当然就不可能靠岩石来追溯那个时期的事件了。地球的“缺席”是解决了。但这依然无法对月球的诞生做出解释。随后,来自地球化学和天文学方面的研究则彻底把两者绑到了一起——同位素和月球结构研究都倾向于认为两者是同源的,换句话说,月球,其实衍生自它的主人——地球。

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LIGO曾于2015年首次在人类历史上聆听到时空的涟漪——引力波。升级后的LIGO将被命名为Advanced LIGO Plus ,简称ALIGO ,预计将于2024年开始运行。

极寒终末苏醒世界

埃迪卡拉——寒武。哪怕今日,也很难有人能彻底说清楚这段时间的地球,究竟孕育着怎样的疯狂。在经历雪球事件之后,生物圈几乎获得了一场迸发式的发展。长久以来被单细胞生物所统治的时空,随着雪球事件的结束而一并瓦解。多细胞的复杂生命,辐射性地扩展到了地球的每一个角落。从埃迪卡拉动物群的诞生到寒武纪生命大爆发,复杂生物的全方位铺张,直接完成了地球历史宙一级的更替。隐生时代结束了,地球进入了它的第四宙级——显生宙(The Phanerozoic)。生命从此成为地球的“显学”。这5.4亿年,是我们自己的故事,生命见证了一个个优势类群的崛起,也见证了惨不忍睹的绝灭。高山依然在隆升和剥蚀,海洋也依然在扩张和闭合,但是,唯有那神秘的雪球,却再也没有重回世间。

未来,地球还会出现雪球事件吗?老实说,不知道。尽管我们无法预测那么长远的未来,但不妨让我们对文明自身的抵御机制报一份谨慎的乐观。毕竟这是人类的时代。就算雪球归来,这颗星球也早已不再是单细胞的世界,而是文明与智慧的家园。自然的变数、未来的文明,在两者之间,命运的天平到底将倾向何处?在把筹码押给人类之前,至少我不希望看到,当生态灾难的魅影开始出现时,有人指着它说,瞧,这是我们自己,一手酿成的灾难。

虽然对于地球本身来说,人类也好、雪球也罢,终归也都不是什么大问题。

美国国家科学基金会负责人弗朗斯·科多瓦表示,这次升级将保证LIGO未来10年在引力波科学领域继续保持领先地位。

备注

本文所谓的雪球事件特指发生在新元古代、资料详实程度最完善的一次。科学界有声音认为在前寒武纪历史上曾发生过数次雪球事件,比如太古代时期的休伦大冰河。由于这些事件涉及到太阳系早期更复杂的模型,比如弱日悖论(The Faint-Young-Sun Theory),与后期稳定环境下的灾变差异较大,故不在此文叙述范围内。

每天都将“听”到引力波

2015年以来,LIGO共成功探测到11次引力波事件,10次源于黑洞并和,1次源于中子星并和。而升级后的ALIGO ,探测能力将进一步增强,可探测的宇宙空间将比现在提升7倍。

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