书城童书科技难题我来解
48763500000006

第6章 破译神奇的科学发现(6)

太阳星云起先是非常疏散的。在万有引力的作用下,大的物质吸引小的物质,最后在中间形成了太阳,周围形成行星。在行星演化的漫长过程中,由于受到中心天体——太阳热力和引力的影响,气物质,冰物质和土物质的分配是不均匀的。它因距太阳远近不同而不同。地球离开太阳较近,所以它主要由土物质组成,也有少量的冰物质和气物质参与。其中参与组成的冰物质就成了地球上水的来源。

自身演化

地球的水是由于地球自身演化而不断地释放。例如在火山活动区和火山喷发时,都有大量的气体喷出,其中水蒸气占75%以上。还有,地下深处的岩浆中,也含有水分,而且深度越大,含水越多。除此以外,和地球同宗同祖的陨石,里面也含有0.5%~5%的细微水分。由此可以证明,在由土物质组成的地球中参与了一定数量的水。

然而,随着人们对火山研究的深入,有人发现,火山活动时释放的水,并不是新生的水,而是渗入地下的雨水。科学家是通过测定这些水的同位素以后才认识到这一点的。因此这种有根有据的说法无疑对。地球之水与生俱来。的假说来说是一种挑战。

从宇宙中来

为了寻求地球之水的渊源,有人把眼光投向了宇宙。他们说,地球之水的主要来源是在地球形成之后,从宇宙中添加进来的。

1961年,有一位叫托维利的科学家提出了一个令人耳目一新的假说。

他说,地球上的水是太阳风的杰作。

太阳风顾名思义就是由太阳刮起的风。当然这种风不是流动的空气,而是一种微粒流或叫做带电质子流。太阳风的平均速度达每秒450千米,比地球上的风速高万倍以上呢!当太阳风向近地空间吹来时,绝大部分带电粒子流被地磁层阻挡在外,少量闯进来的高能粒子马上被地磁场捕获,并囚禁在高空的特定区域内。

托维利认为,太阳风为地球做出了有益的贡献,那就是为地球送来了水。经过托维利计算,从地球形成到今天,地球已从太阳风中吸收的氢总量达1.70x1023克。若把这些氢和地球上的氧结合,就可产生1.53x1024克的水。这个数字与现在地球上水体的总量145亿亿吨十分接近。更重要的是,地球水中的氢和氘含量之比为6700:1,这与太阳表面的氢氘比也十分接近。因此,他认为地球之水是太阳风的杰作。

但是,反对这种意见的人提出了质疑:水虽有可能来自太空,却也在不断地向太空散佚。这是因为大气中的水蒸气分子会在阳光的紫外线作用下发生分解,变成氢原子和氧原子。

氢原子由于很轻,极容易摆脱地球的束缚,飞向星际空间。据计算,它的逃逸数量与进入地球的数量大致相等。因此,他们认为,如果地球之水光靠太空供给,而自身没有来源的话,地球不可能维持现有的水量。

坠落地球的冰陨石

地球上每天都在接纳天外来客——陨石。这些来自太空的不速之客大部分是石陨石和铁陨石,但也有一些是冰陨石。不久前,美国依阿华大学的科学家弗兰克提出一个论点。

原来,弗兰克在研究人造卫星发回的图像时,对1981~1986年以来的数千张地球大气紫外辐射图产生了兴趣。他发现,在圆盘形的地球图像上总有一些小黑斑。每个小黑斑大约存在2~3分钟。经过多次分析,否定了其他一些可能之后,他认为这些黑斑是由一些看不见的冰块组成的小彗星,撞入地球外层大气后破裂,融化成水蒸气造成的。他还估计,每分钟大约有20颗平均直径为10米的这种冰球坠入地球。若每颗可融化成水100吨,则每年即可使地球增加10亿吨水。地球形成至今已有46亿年历史,这么算来,地球总共可以从这种冰球上获得460亿亿吨水,是现在地球水体总量的三倍以上。即使扣除了地球历年散失掉的水分,和在各种地质作用中为矿物和岩石所吸收,以及参与生物体组成的水之外,仍然绰绰有余。

地球之水来自天外冰球的说法,虽然有一定道理,但也受到了挑战。

所以对地球之水的来源还需要进一步的研究。

地球的年龄有多大

人类有自己的年龄,我们生存的地球也是有年龄的。那你知道地球自生成以来,已经度过了多少岁月吗?

对于地球的年龄,人们最先想到了海水。

海水是咸的,其中的盐被设想是从大陆上送去的,现在河流还在不断把大量盐分带进海中。那么我们用每年全世界河流带进海中盐分的数量,去除以海中现有盐分的总量,这不是可以算出积累这样多的盐分已经花了多少年吗?计算的结果表明:大约已有1亿年。这个数字显然还不是地球的真实年龄,因为在海洋出现之前,地球早已经出世了。而且河流带进海中盐分的多少,不会每年一样,海中的盐分还会因海水被风吹到岸上,而有一部分返回大陆。

人们又在海洋里找到了另一种计时器,这就是海洋中的沉积物。随着岁月的增长,沉积物愈来愈厚,而且大量变成了岩石——沉积岩。据估计,每3000~10000年可以造成1米厚的沉积岩。地球上各个地质时期形成的沉积岩,加在一起总共有多厚呢?约有100千米。算起来形成这些沉积岩共用了3亿~10亿年的时间。不过这个数字仍不等于地球的年龄,因为在有沉积作用以前,地球也是早就形成了。

看来需要有一种稳定可靠的天然计时器才能算出地球的年龄。这样的计时器已经找到了,那就是地球内的放射性元素和它蜕变生成的同位素。

1896年,铀具有天然的放射性被法国的物理学家贝克勒尔发现,随后英国的物理学家卢瑟福提出并证实放射性元素的原子会蜕变,即自行分裂为另外的原子。例如原子量为238的铀,蜕变的最后结果是产生出氦和原子量为206的铅。这种铅比原子量为207的普通铅重一点,但都在元素周期表上的同一位置,被称为锡的同位素。人们还发现这些放射性元素蜕变的速度不受外界的影响,稳定不变,不过蜕变的速度和产物各不相同:铀—238是45.1亿年变掉一半,这个时间被称为铀—238的半衰期。

放射性元素在地球上分布很广,像铀在许多岩石中都有,它蜕变产生的氦是气体,容易散失,铅则留了下来。因此根据一块岩石中含有多少铀及从这些铀分裂出来的铅,就能够算出这块岩石的年龄。现在已知的最古老的岩石,是1973年在格陵兰发现的,年龄有38亿年;1983年又在澳大利亚找到几粒年龄有41亿~42亿年的矿物颗粒。这表明距今40亿年前后,地壳已开始形成。

不过在地壳出现以前,地球已经存在了一段时间,因此这个数字还不等于地球的年龄。这该怎么办呢?人们发现,地球中的铅,不止是铀—238分裂而成的,原子量为235的铀和原子量为232的钍也在蜕变,产生出另外两种铅的同位素。而且除了放射性元素蜕变而成的铅,地球上还有一种非放射性来源的铅,它的原子量为204(Pb204),在地球形成之时就已存在。查出了存在于地球的这几种铅今天的比例关系,就能算出比较可靠的地球的年龄。可惜那种非放射性来源的铅由于它的原子重,沉降到以铁,镍为主的核心中去了(分布在上层岩石中的铅,主要是铀和钍变来的:铀和钍的原子更重,但它们的离子半径大,随二氧化硅向上移动,跑到地球的岩石表层中来了)。但是按照地球与太阳系其他天体都来自同一星云的理论,不妨借用铁陨石来推算,它们是太阳系中小天体的碎片,成分接近地球核心的物质组成。

这样计算的结果是地球的年龄约有46亿年。当然这仍不够确切,计算的结果常出入很大,但我们对地球有多大年纪,终究有了接近真实的认识。

地球内部的秘密

飞向太空的宇宙飞船已让我们对太空有所了解,但对于我们生存的地球内部却知之甚少。苏联有人提出发射地质火箭,向地球内部进军。地质火箭在入地的途中会遇到些什么问题呢?

第一个就是要战胜岩石的阻碍。宇宙火箭飞出地球,需要战胜大气的阻碍,而地质火箭的发射则首先碰到了岩石阻碍问题。岩石组成了地球的硬壳,地壳最厚的部分加喜马拉雅山一带,可以达到七八十千米。当然,科研人员不会选择这样的地方发射地质火箭。地壳也有一些较薄的部分(如太平洋北部,薄到不足10千米),可能要选择类似这些较薄的部分进入地球。

但是要突破地壳最薄的部分也不是容易的事,每前进一步都需要付出巨大的代价。在这里首先要突破的是坚硬致密的岩石。组成地壳表面岩石的密度,要比靠近地面稠密大气的密度大2000多倍。我们知道,大气能给火箭造成强大的阻力,和它发生摩擦,就会造成足以使一般金属熔融的高温。和这样坚固的岩石打交道,又会有什么样的结果呢?

幸而从地面到地心的旅程比宇宙航行要近得多,不过6300多千米;同时不必考虑摆脱地心引力的影响,因而不需要地质火箭也具有宇宙火箭那样快的速度,摩擦的强烈程度可以减轻一些。但是要想较快地突破岩石的阻碍,仍需要有极其强大的动力,而单纯利用机械的方法来穿凿岩石也值得改进。目前已有利用高热喷气流,高频电流等使岩石骤然受到高热而碎裂的方法来向地下钻孔。可以预料,未来的地质火箭一定会利用更多的先进技术破碎岩石,突破这深入地球内部的第一关。

第二就是要抗住强大的压力。宇宙火箭在进入高空后,那里的物质愈来愈稀薄;可是地质火箭在深入地下后,地下的物质却是愈来愈密。在地下所受到的压力也是愈深愈大。

在地心,压强达到3亿多千帕。在地下几千米的地方,压强也常达到10万千帕以上。这种压力和静水压力相似,物质在那里四面受力,而且力的大小比较均匀。在这种强大而均匀的压力下,发生了许多有趣的事情。

本来坚硬的物质,现在也变得具有一定的可塑性,能够在一定限度内受外力作用改变自己的形状而不致破裂。

可以设想,地质火箭钻进地下以后,在通过这种地带时困难将是很多的,甚至它所钻出的通道会不会因地下强大的压力而收缩以至封闭呢?这也是需要解决的问题。

其实,在具有可塑性的物质中前进是困难的,地质火箭要是碰上液体而且是灼热的液体呢,困难就更大了。有的人认为,地壳下面有一层处于熔融状态的岩浆,火山喷发就是岩浆活动的表现。从火山口流出的熔岩温度常在1000?以上,而它在从地下到地上的征途中已经散失了不少热。由此可见,在地下深处的岩浆,它的温度比这还要高。

不过,也有人认为,岩浆在地球内部并没有形成连续的一层,而是东一块西一块零散地分布着的。如果真的如此,我们倒可以设法绕过岩浆区域了,但是我们仍然不得不遭遇高温。

地下深处是很热的,在地壳上层,我们实际测得的资料表明,通常深度每增加33米温度要升高10℃;在更深的地方,人们设想温度不会特别高,但也有几千度。

几千度的温度是人类不难战胜的,但是你得想到那里同时存在着巨大的压力,高温和高压使地心成为一个谜一样的世界,我们还很难设想地质火箭到了那里会有些什么遭遇。

探空的火箭技术发展神速,太阳系中各个行星均已有空间探测器前去靠近它们观测,探测器还多次降落在月球和火星上。人类登月的梦想也已实现,但入地比上天难,真正能做的还是向地下钻孔。不过,靠地震波我们可以了解更多的地下情报,现在科学家已经可以肯定地说,地下只是局部存在岩浆,地幔也主要由岩石构成。

黄金传说

在印加首都库斯科以北3千米,耸立着著名的萨克塞瓦曼城堡。

城堡从上到下有三层围墙,每层墙高18米,长40米,墙壁均用巨大的石块砌成,其中一块长9米,宽5米的巨石,最引人注目。城上有楼堡21个,像威武的卫士,守护着库斯科的北面门户。

在城堡以南几百米外的山坡上的一个火山口中,一块硕大无比的巨石使人们震惊。这是一块经过能工巧匠精雕细凿的巨石,大约有四层楼房那么高,雕刻着台阶和斜坡,雕刻着螺旋形的洞眼做饰纹。更使人惊诧的是这块巨石竟然倒放着,台阶从上向下反向延伸。谁能够想象,人类竟然能用自己的双手,靠自己的努力,挖出,雕琢,搬运这块巨石,最后又把它倒放在火山口上。

这种超常的力量,超越时代的智慧和超出常理的人工建筑遍布全世界,萨克塞瓦曼的巨石是其中当之无愧的佼佼者。

西班牙人在中美洲立足之后,便不断听到有关“黄金之都”和“翡翠湖”的传说。

据说,在南美洲亚马逊密林深处,有个极其富裕的“黄金之都”,那里的宫廷和神殿,都是用黄金,白银装饰的;那里的人们穿的衣服,都是用金线银缕编织的。那里盛产黄金,印加帝国的黄金都来自那里。

每逢节日,他们的首领便全身涂满金粉,当太阳照射时,全身就闪闪发光,犹如天神。随后,在他的臣民们的簇拥下,走到附近的湖里,在湖中把全身的金粉洗掉,百姓们在岸上欢呼雀跃,纷纷往湖中投掷翡翠,黄金,作为向神的贡品。天长地久,这湖也就成了名副其实的翡翠湖,黄金湖了。

西班牙人将印加贵族抓起来,严刑拷问“黄金之都”的所在,最后得知在安第斯山脉对面的大森林里,叫做玛诺阿国。