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历史上真的有冰雪地球吗

  新闻背景

  近日热播的电影《流浪地球》中,地表的画面都是冰天雪地,就连海洋都变成了坦途,运送火石的车辆畅行无阻。为什么电影里面会有这种设定?地球上曾出现过这种场景吗?

  1. 太阳系中有很多“雪球”

  在电影《流浪地球》中,地球在行星发动机的推动下逐渐远离了太阳,向着木星飞去,企图借助木星的引力加速,助地球更快地飞向新家园。电影中地球冰天雪地的场景,完全不是我们熟悉的模样。其实,这样的星球在太阳系中才是最为普遍的,我们现在的地球反而是个异类。

  太阳占太阳系总质量的99.86%,也是太阳系最大的产热器,离太阳越近,温度越高。如离太阳最近的水星,其地表平均温度可达427℃。而在远离太阳的地方,则温度很低,连氮气都会变成固体(零下209℃以下)。

  地球在太阳系中非常特殊,比如有大气,有水,是一个岩质星球(主要成分是固态的岩石)。但是,这些都不是只有地球才有的特征,金星也有浓密的大气,水在太阳系更是到处都是,水星、火星同样是岩质星球。地球最特殊的地方在于它的位置,距离太阳不近不远,很适中,恰好位于生命的宜居带。在宜居带内,温度适中,有着浓密大气的地球可以存在大量的地表液态水,为生命的孕育提供了良好的场所。但是这个宜居带非常窄,据科学家估计,其内外边界大约距离太阳0.9和1.5个天文单位(一个天文单位是地球和太阳的距离),最外靠近火星的轨道。一旦出了这个范围,地球上的液态水要么会蒸发,要么会凝固成冰,不再适合复杂生物的生存。在《流浪地球》中,当地球接近木星的时候,距离太阳已经5.2个天文单位了,所以地表的液态水将会完全凝固成冰,地球也将成为一个“雪球”。

  如果我们随着流浪的地球往太阳系外面飞,就会发现越来越多的冰雪世界。比如天王星和海王星,就被称为冰巨星,因为在它们的大气层下面有大量的水冰。同样,2006年被踢出行星之列的冥王星,表面也可能是一层厚厚的冰。飞过冥王星,地球就进入了黑暗的世界。这里离太阳非常遥远,已经完全感受不到它的光辉了,被称为柯伊伯带,冥王星降级后就被归为柯伊伯带天体。这里的天体几乎都是冰封的世界了,如与冥王星相似大小的阋神星、鸟神星等,除了水冰之外,还有甲烷冰,甚至氮冰。一些短周期彗星(如著名的哈雷彗星)就发源于此。冰也是彗星的主要成分之一。

  2. 历史上地球确实多次变成“雪球”

  当然,电影中的“雪球”是编剧们的想象,但在实际的地球历史上,地球确实多次变成雪球。

  地球上的气候变化主要受到太阳光照和地球大气的控制。一般而言,光照越强,温度越高。而大气的作用,则是让地球维持较为稳定的温度。大气中的云雾等,在受到太阳照射的时候,能够反射太阳光,给地球降温。而在太阳落山以后,大气中的二氧化碳、水汽等温室气体,能够防止地球散热太快,给地球保温。如果没有大气,地球就会像月球一样,太阳照射到的时候,气温可以升到一百多摄氏度,而夜晚就降到将近零下二百摄氏度。地球历史上的雪球事件,也主要是受到了太阳光照和大气成分的影响。

  大约在30亿年前,幼年太阳的光照比现在要弱大约20%至30%,地球接收的太阳能量也要少很多;但地球大气的成分和现在也很不一样,可能主要是甲烷、二氧化碳和水蒸气等温室气体,尤其是甲烷,其温室效应比二氧化碳高出20多倍。所以,虽然那时候太阳光照弱,但由于大量温室气体的存在,地球表面的温度可能比现在还要高一些,足以保证液态水的存在,让早期生命得以形成和发展。但是,随着生命的演化,出现了光合作用,氧气作为代谢物被排放到大气中。氧气的出现,使得大气中的温室气体含量下降了(主要是甲烷的氧化),地表温度降低,就会出现雪球事件。地球上第一次雪球事件可能发生在29亿年前的时候,但这次雪球事件的证据不多,是否真实发生过还有很大疑问。第二次可能是在距今21亿至24亿年间。这之前,发生了一次更大规模的大气充氧事件,大气中的甲烷几乎被消耗殆尽,并最终使大气中的氧气含量达到现今水平的1%至2%。据科学家估计,当时地球冰封长达3亿年之久,且造成了一次生物大灭绝。

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