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地球的分层结构对生命来说非常关键。上文提到,由于流动的熔融的铁产生电流,因此液态外核产生了磁场。磁场保护地球表面的生物免受宇宙射线(高能质子和原子核)的伤害。
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地幔底部的温度要比顶部高。底部的热量传导到顶部,就像在锅里熬豌豆汤一样,虽未沸腾,但却会慢慢翻滚。由于板块浮在上地幔之上,这使得板块活动起来。在某些板块的交界处,一个板块会俯冲进入另一个板块下方,重新变成地幔。地球表面的大部分物质就是这样不断循环再造。这个周期大约需要5亿年。
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地球的大小也是使生命有可能出现的关键特性。假如地球再小些,其引力就无法留住大气或地球表面的液态水,而这两者对生命来说都是至关重要的;假如地球再大些,其引力就会把陆地上的绝大部分生物压扁。
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此外,地轴倾斜也是生命产生的关键因素。在地球绕太阳公转的轨道中,有一部分北半球朝太阳方向倾斜,另一部分北半球偏离太阳。太阳照射地球角度的变化使得到达地球的热量发生变化。地球自转轴并不改变,变的是地球在轨道上的位置。(嗯,地轴的倾斜角度实际上会有微小变化,见下文。)
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朝太阳倾斜的半球接收更多直接来自太阳的辐射,也就获得了更多热量,我们称这个季节为夏季。当我们所在的半球偏离太阳时,冬季就来了。南半球的季节与北半球相反。赤道附近的热带季节变化不明显。
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地球的内部结构
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图中显示了地球内部的液态流动。地壳外部扭动的线条代表的是火山。
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太阳的热量到底有多少到达了地球呢?这是个相当复杂的问题。从大的时间跨度来说,并不稳定,也不始终如一。地球的轨道(与太阳之间的距离)有所变化,另外地轴也会发生摇摆,此外倾角也会稍微发生变化。
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米兰科维奇循环
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这些周期体现在地轴倾斜角度的变化、地轴摆动和公转轨道形状变化——后者叫作偏心率,或与圆形轨道的偏差。塞尔维亚天文学家米卢廷·米兰科维奇(Milutin Milankovitch,1879—1958)首次发现了这些周期,遂以他的名字命名。
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地球轨道是椭圆形的,1月份时与太阳之间的距离比7月份时要近483万千米(300万英里)。但地球轨道的椭圆程度也在变化,一段时间椭圆的程度高,然后越来越接近圆形,然后再变得椭圆,大约每10万年循环一次。地轴倾斜角度则大约每4.1万年从21.5°到24.5°之间变动一个循环。(若不是月球引力对地球起到了稳定作用,地轴的变化幅度会更大。)地轴每2.1万年摆动一次。地球轨道、地轴倾角以及地轴的摆动,是由太阳和月球对地球的引力,以及金星、火星、木星和土星与地球的距离变化导致的。这些行星质量都很大,当它们以规律的周期接近地球时,其引力会扭曲地球轨道和倾斜角度。我们生活在引力系统中,所有事物都在相互拖拽。而所有这些,也会略微改变到达地球的辐射总量和分布,继而影响气候。
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地球加工元素
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地球是太阳系中唯一一颗变动不安的行星。从大的时间跨度来看,没有任何地表特征是恒定不变的。地幔的缓慢流动导致大陆移动、破裂、连接,并循环变成地幔,周而复始。
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地球和大气层几乎形成了一个元素和养分的密闭的系统。(对于来自太阳的能量,这个系统是开放的。)地球上的所有原子,几乎都已存在了46亿年,自地球形成之日起就有。少量其他原子来自小行星。除了最轻的氢和氦之外,引力使得所有原子都无法逃离地球,而且即便是那2种最轻的原子,也损失得非常缓慢。整体看来,地球基本上拥有固定的原子“预算”。
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那么,如果不考虑大气层的话,地球的主要元素是什么呢?其中的四大元素分别是:铁、氧、硅和镁。这四大元素合起来构成了地球质量的90%以上。地壳本身则几乎有一半是氧,25%是硅,5%是铁。另外,还有一大长串的其他元素,各自只占极小的比例。
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这些比例很小的元素的原子并非静止不动,无所事事。它们以不同的组合方式,在地球系统(大气层、生物圈、水和土壤系统、地壳、地幔和地核)中的不同地方或不同存储区之间运动。这一运动叫作“生物地球化学循环”,是地质活动和生命共同作用形成的封闭体系中的循环流动。
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对于地球生命来说,至少有4种至关重要的生物地球化学循环,它们分别是碳循环、氮循环、氧循环和水循环。首先,我们来认识一下碳循环。通过燃烧化石燃料,人类文明正严重影响着碳循环。(参见http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_cycle)
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稀土元素
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所谓的“稀土元素”(Rare Earth Elements),如今经常成为新闻话题,是因为电子制造商需要稀土元素来制造手机和电脑。但其实将其称作“稀土”是用词不当,这些元素并非特别稀缺,只是大家对其都不熟悉罢了。
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有些稀土元素在地壳中就像铜、锡、锌一样常见。即便最不常见的稀土元素(铥和镏),也几乎比金常见200倍。
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稀土元素不富集在矿床中,不易开采。它们分布得非常分散,要想开采,需要破坏大面积的地表。目前,中国是世界上开采稀土元素最多的国家,付出了沉重的环境代价。现在,其他国家也在加紧开采稀土元素。人类建立“循环系统”势在必行,不仅要循环使用难以开采的元素,还要保护水系统免受这些元素的污染,如果简单地丢弃这类元素制造的产品,会毒化水系统。
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火山把二氧化碳喷到空气中,就会使碳原子进入大气层。在大气层中,二氧化碳溶解在雨水中,形成酸雨。酸雨落在裸露的岩石上,会将其分解,雨水携带着岩石中更多的碳,流入溪流和江河,汇入海洋。在海洋中,碳组成了鱼类、浮游生物和贝类的身体和外壳。而这些生物死后,残骸沉入海底,形成岩石。板块构造活动最终又让海底岩石返回地幔,进入高温的内部地幔进行循环。火山喷发再次把碳原子从那里带出来,释放到大气中。据估计,完成这样的一个循环平均需要1.5亿年左右。
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