新聞背景
近日熱播的電影《流浪地球》中，地表的畫(huà)面都是冰天雪地，就連海洋都變成了坦途，運(yùn)送火石的車(chē)輛暢行無(wú)阻。為什么電影里面會(huì)有這種設(shè)定?地球上曾出現(xiàn)過(guò)這種場(chǎng)景嗎?
1. 太陽(yáng)系中有很多“雪球”
在電影《流浪地球》中，地球在行星發(fā)動(dòng)機(jī)的推動(dòng)下逐漸遠(yuǎn)離了太陽(yáng)，向著木星飛去，企圖借助木星的引力加速，助地球更快地飛向新家園。電影中地球冰天雪地的場(chǎng)景，完全不是我們熟悉的模樣。其實(shí)，這樣的星球在太陽(yáng)系中才是最為普遍的，我們現(xiàn)在的地球反而是個(gè)異類(lèi)。
太陽(yáng)占太陽(yáng)系總質(zhì)量的99.86%，也是太陽(yáng)系最大的產(chǎn)熱器，離太陽(yáng)越近，溫度越高。如離太陽(yáng)最近的水星，其地表平均溫度可達(dá)427℃。而在遠(yuǎn)離太陽(yáng)的地方，則溫度很低，連氮?dú)舛紩?huì)變成固體(零下209℃以下)。
地球在太陽(yáng)系中非常特殊，比如有大氣，有水，是一個(gè)巖質(zhì)星球(主要成分是固態(tài)的巖石)。但是，這些都不是只有地球才有的特征，金星也有濃密的大氣，水在太陽(yáng)系更是到處都是，水星、火星同樣是巖質(zhì)星球。地球最特殊的地方在于它的位置，距離太陽(yáng)不近不遠(yuǎn)，很適中，恰好位于生命的宜居帶。在宜居帶內(nèi)，溫度適中，有著濃密大氣的地球可以存在大量的地表液態(tài)水，為生命的孕育提供了良好的場(chǎng)所。但是這個(gè)宜居帶非常窄，據(jù)科學(xué)家估計(jì)，其內(nèi)外邊界大約距離太陽(yáng)0.9和1.5個(gè)天文單位(一個(gè)天文單位是地球和太陽(yáng)的距離)，最外靠近火星的軌道。一旦出了這個(gè)范圍，地球上的液態(tài)水要么會(huì)蒸發(fā)，要么會(huì)凝固成冰，不再適合復(fù)雜生物的生存。在《流浪地球》中，當(dāng)?shù)厍蚪咏拘堑臅r(shí)候，距離太陽(yáng)已經(jīng)5.2個(gè)天文單位了，所以地表的液態(tài)水將會(huì)完全凝固成冰，地球也將成為一個(gè)“雪球”。
如果我們隨著流浪的地球往太陽(yáng)系外面飛，就會(huì)發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多的冰雪世界。比如天王星和海王星，就被稱(chēng)為冰巨星，因?yàn)樵谒鼈兊拇髿鈱酉旅嬗写罅康乃Ｍ瑯樱?006年被踢出行星之列的冥王星，表面也可能是一層厚厚的冰。飛過(guò)冥王星，地球就進(jìn)入了黑暗的世界。這里離太陽(yáng)非常遙遠(yuǎn)，已經(jīng)完全感受不到它的光輝了，被稱(chēng)為柯伊伯帶，冥王星降級(jí)后就被歸為柯伊伯帶天體。這里的天體幾乎都是冰封的世界了，如與冥王星相似大小的鬩神星、鳥(niǎo)神星等，除了水冰之外，還有甲烷冰，甚至氮冰。一些短周期彗星(如著名的哈雷彗星)就發(fā)源于此。冰也是彗星的主要成分之一。
2. 歷史上地球確實(shí)多次變成“雪球”
當(dāng)然，電影中的“雪球”是編劇們的想象，但在實(shí)際的地球歷史上，地球確實(shí)多次變成雪球。
地球上的氣候變化主要受到太陽(yáng)光照和地球大氣的控制。一般而言，光照越強(qiáng)，溫度越高。而大氣的作用，則是讓地球維持較為穩(wěn)定的溫度。大氣中的云霧等，在受到太陽(yáng)照射的時(shí)候，能夠反射太陽(yáng)光，給地球降溫。而在太陽(yáng)落山以后，大氣中的二氧化碳、水汽等溫室氣體，能夠防止地球散熱太快，給地球保溫。如果沒(méi)有大氣，地球就會(huì)像月球一樣，太陽(yáng)照射到的時(shí)候，氣溫可以升到一百多攝氏度，而夜晚就降到將近零下二百攝氏度。地球歷史上的雪球事件，也主要是受到了太陽(yáng)光照和大氣成分的影響。
大約在30億年前，幼年太陽(yáng)的光照比現(xiàn)在要弱大約20%至30%，地球接收的太陽(yáng)能量也要少很多;但地球大氣的成分和現(xiàn)在也很不一樣，可能主要是甲烷、二氧化碳和水蒸氣等溫室氣體，尤其是甲烷，其溫室效應(yīng)比二氧化碳高出20多倍。所以，雖然那時(shí)候太陽(yáng)光照弱，但由于大量溫室氣體的存在，地球表面的溫度可能比現(xiàn)在還要高一些，足以保證液態(tài)水的存在，讓早期生命得以形成和發(fā)展。但是，隨著生命的演化，出現(xiàn)了光合作用，氧氣作為代謝物被排放到大氣中。氧氣的出現(xiàn)，使得大氣中的溫室氣體含量下降了(主要是甲烷的氧化)，地表溫度降低，就會(huì)出現(xiàn)雪球事件。地球上第一次雪球事件可能發(fā)生在29億年前的時(shí)候，但這次雪球事件的證據(jù)不多，是否真實(shí)發(fā)生過(guò)還有很大疑問(wèn)。第二次可能是在距今21億至24億年間。這之前，發(fā)生了一次更大規(guī)模的大氣充氧事件，大氣中的甲烷幾乎被消耗殆盡，并最終使大氣中的氧氣含量達(dá)到現(xiàn)今水平的1%至2%。據(jù)科學(xué)家估計(jì)，當(dāng)時(shí)地球冰封長(zhǎng)達(dá)3億年之久，且造成了一次生物大滅絕。
而第三次，也是最著名的一次雪球事件，發(fā)生在距今6億至7.5億年間，其起因是大氣中二氧化碳含量的降低。在此之前，地球上的陸地經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的漂移，連成了一片，組成了一個(gè)超大陸。在超大陸的內(nèi)部，大洋水汽很難達(dá)到，常年干旱，就像現(xiàn)在亞歐大陸的中部，如蒙古、中亞地區(qū)。但不久超大陸就發(fā)生了裂解，海洋入侵，內(nèi)陸地區(qū)降水增多，風(fēng)化作用增強(qiáng)。巖石的風(fēng)化大量消耗了空氣中的二氧化碳，以碳酸鹽的形式被固定到地層中，不能再參與調(diào)節(jié)氣溫。
而在這個(gè)時(shí)候，太陽(yáng)光照仍然比現(xiàn)在要弱6%，溫室氣體含量的降低必然導(dǎo)致了溫度的降低，冰雪逐漸從兩極向赤道擴(kuò)散，最終覆蓋全球。
3.危機(jī)也意味著新生
地球變成了雪球，雪上加霜的是，白色的冰雪能夠更有效地反射太陽(yáng)光，使得地球吸收的能量更少，進(jìn)一步加劇了嚴(yán)寒。那個(gè)時(shí)候，地球的平均溫度可能只有零下50℃，赤道地區(qū)也僅有零下20℃，全球就是一個(gè)大號(hào)的南極。隨著冰層厚度的增加，冰川也開(kāi)始流動(dòng)，移山填谷，威力巨大。
嚴(yán)峻的氣候必然給生命帶來(lái)巨大的損害，生物圈幾乎被完全破壞，生命只能在某些黑暗的角落里茍延殘喘。在巨厚的冰層下面，溫度可能并不那么低，尤其是在某些火山附近，會(huì)不間斷地向外噴發(fā)熱液，就像現(xiàn)代海洋中的“黑煙囪”。在這些熱液溫泉附近，會(huì)有液態(tài)水的存在，噴發(fā)出的礦物質(zhì)、硫化物等也足以支撐一個(gè)小型的生物圈。這種現(xiàn)象在現(xiàn)代大洋的深處仍舊普遍存在?？赡芫褪强恐@點(diǎn)能量，生命熬過(guò)了寒冬。但近年來(lái)的幾個(gè)新發(fā)現(xiàn)可能為我們深刻認(rèn)識(shí)極端環(huán)境下的生命提供了新思路。2015年，美國(guó)在南極的冰下湖泊或冰架上打了幾個(gè)鉆，在800米的冰蓋下的極端貧瘠的湖泊或海水中發(fā)現(xiàn)了種類(lèi)繁多的細(xì)菌，甚至有魚(yú)、蝦等復(fù)雜生物?，F(xiàn)在科學(xué)家還不清楚它們是靠什么生活，但更加深入的研究將會(huì)對(duì)我們解釋生命如何度過(guò)嚴(yán)酷的大冰期提供參考。不管怎么樣，生命在寒冰之下某些相對(duì)溫暖的角落里頑強(qiáng)地延續(xù)著，為未來(lái)的生物演化提供了無(wú)限可能。
另一方面，冰雪到來(lái)前，地球上幾乎是藍(lán)藻和細(xì)菌的天下，其他類(lèi)型的生物鮮有發(fā)展的機(jī)會(huì)。嚴(yán)寒幾乎完全破壞了這一切，造成了大量生態(tài)位的空出，為真核生物的發(fā)展提供了空間。
在雪球事件的后期，伴隨著強(qiáng)烈的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，火山大量活動(dòng)，噴出了大量的二氧化碳等溫室氣體。當(dāng)這些溫室氣體達(dá)到一定濃度后，氣溫慢慢回升，冰雪融化，大約在幾千年內(nèi)就消失殆盡了。冰雪融化形成的洪水，把大量的陸上礦物質(zhì)帶入海洋，為生物的繁盛提供了充足的營(yíng)養(yǎng)保證。
冰雪過(guò)后，新舊交替，萬(wàn)物更新，新的生命形式大爆發(fā)、大輻射，逐步演化成了今天的樣子。
延伸閱讀
為什么木星有那么多氫氣
木星大氣的主要成分是氫氣。在電影《流浪地球》中，地球即將撞上木星前，大氣被木星的重力吸過(guò)去，氧氣與氫氣混合到一塊。因此，主人公才想到點(diǎn)燃木星，利用爆炸的沖擊波把地球推出去，防止地、木相撞。那么地球的大氣為什么和木星的大氣有如此大的差異?這個(gè)要從太陽(yáng)系的成分和行星的形成說(shuō)起。
其實(shí)在整個(gè)宇宙中，氫是最常見(jiàn)的元素，現(xiàn)今太陽(yáng)中也有大約75%是氫。據(jù)此可以推測(cè)，在太陽(yáng)系形成的時(shí)候，主要成分也應(yīng)該是氫元素。隨著太陽(yáng)的形成，太陽(yáng)系絕大部分物質(zhì)都集中到了太陽(yáng)，而在太陽(yáng)外，元素發(fā)生了分層。靠近太陽(yáng)的地方，溫度很高，只留下了重元素，比如硅、鐵、氧和硫等元素，氫很少，這些元素聚集在一起，就形成了水星、金星、地球和火星這些巖質(zhì)行星，且僅有金星和地球的質(zhì)量足夠維持濃密的大氣，但質(zhì)量又不特別大，氫氣可能已經(jīng)逸散掉了。在遠(yuǎn)離太陽(yáng)的地方，溫度降低，重元素的比例也逐漸降低，行星的大氣成分就以氫為主了，還有一些氦，如木星、土星、天王星和海王星等。而在柯伊伯帶，星體中的重元素已經(jīng)很少，大多以水冰、甲烷等為主。要說(shuō)明的是，地球上原生的大氣也是甲烷、二氧化碳等居多，現(xiàn)在的大氣是經(jīng)過(guò)地球生物多年改造的結(jié)果。(賈斌)
