地图说一切。
阅读全篇文章大约用时14分29秒地球的青春痘
如果地球也会长青春痘,那就是火山。
它是地球释放“火气”的渠道,来自地球深部的高温使岩石部分熔融产生岩浆,在压力的作用下喷出地表,冷却的岩浆与喷出的碎屑堆积就形成了火山。
▲ 火山系统一般由储存岩浆的岩浆房、岩浆通道、火山口、物质堆成的火山锥等构成火山最令人恐惧的或许是那灼热通红的熔岩流,它温度可高达1200℃,将流经之处吞噬殆尽。熔岩流看起来十分可怕,但其实它有粘性,流动速度不算太快。
更为可怖的,其实是喷发出的火山碎屑与气体混合成的火山碎屑流。它的速度可达高速行驶的汽车的10倍,300米/秒,温度也可达800℃,夹杂着冰雹般的大小石块、能钻入肺泡可致窒息的极细火山灰,再混入高浓度的二氧化碳、硫化氢、二氧化硫、甲烷等有毒气体……置身其中,几乎没有任何生还的可能。
▲ 大量火山灰和含硫火山气体可以进入大气形成气溶胶,反射太阳光,使地球进入“寒冬”。火山灰还会形成泥浆雨,硫形成酸雨,持续危害作物生长,可能引发饥荒。冰岛曾因1783年拉基火山喷发后的大饥荒人口直接减少1/5历史上,古罗马名城庞贝就是被火山碎屑所掩埋。公元79年,维苏威火山喷发,仅仅18小时,庞贝古城就被漫天袭来的超过100亿吨的火山碎屑全部埋没,最深处达到了19米,超过6层楼的高度。那些狂奔、攀爬、抱头、蜷缩、甚至还在嬉戏、熟睡的人们,都永远被凝固在了生前的姿势。
现在,尤其是经过欧洲的一些飞机航线,经常得“绕”着火山飞。直径小于2毫米的火山灰无孔不入,它们非常坚硬,摩擦损害机械,还可能带电,干扰电子仪器;尤其当它们被吸入发动机,在高温中熔融又结晶,附着在零件上,极易导致引擎故障,甚至使飞机就此“瘫痪”在半空中。
▲ 一般而言,距今1万年内未喷发过的称为死火山,喷发过的称为活火山,活火山又分两种,现今经常或周期性喷发的为现代活火山,有史以来曾经喷发但长期静止的为休眠火山,可能再次喷发NASA认为,对人类而言,超级火山的爆发,其实比任何小行星的撞击都可怕。目前地球上大约有20座随时都可能爆发的火山,其中最危险的是美国黄石公园火山——世界上最大的活火山之一。
距今210万年前,黄石发生了史上最大的火山喷发之一。威力足足超过8.0级地震10000倍,火山烟灰冲击上了10万米的高空,直达地球极光所在的热层——广岛投下的“小男孩”原子弹的浓烟只有1万余米,在它面前真只是个小男孩。
▲ 黄石超级火山喷发的高度对比图超过2000立方千米,足以填满30个青海湖的火山灰被喷到了大气里。这么多的火山灰遮天蔽日,隔绝了阳光,炽热的火山却让地球一度进入了“寒冬”。英国科学家曾用计算机进行模拟实验,黄石火山爆发可使地球年均气温下降10℃,至少持续6-10年之久。
▲ 此后,黄石火山又在距今130万年和64万年前发生过相似等级的爆发,形成了现在面积约10000平方千米、厚度约2000米的黄石熔岩高原今天,这里仍暗流涌动,地下被发现有180万平方千米、接近于墨西哥大的岩浆房,距离地表最近处只有8公里,而且还在不断膨胀。
如果黄石火山爆发,方圆1000公里内的人几乎都无法幸免于难,巨量火山灰在全球扩散,更多的人可能因吸入的火山灰导致肺部固化而死亡,由此带来的全球降温,甚至瘟疫和饥荒更是无法估量。▲ 现在,地球上有500多座活火山。国内已探明的活火山至少14座,其中长白山天池是最大、最有喷发可能的火山生命的基础
火山这么可怕,那没有火山就好了?
如果把视线放大,你会发现,拥有火山,对地球来说,反而是一种幸运。这还得从46亿年前,地球刚形成时说起。
46亿年前的地球,远不是现在湛蓝宁静的模样。刚刚撞击形成的地球充满热量,表面覆盖的全是炽热火红的岩浆,没有大气也没有水,可以说就是一个“大火球”。在冰冷的宇宙里,地球逐渐开始冷却,密度大的元素沉去地心,密度小的浮向表面。表面的岩浆冷却形成一层“外壳”,越向地心温度则越高,最终形成了由外向内的“地壳-地幔-地核”结构。
其中,地幔由固体岩石构成,但它具有塑性,也就是可以进行“蠕动”。其中一层岩石发生了部分熔融,带着点儿“液态”的岩浆,地质学上叫作软流圈。火山喷发的岩浆,主要就来源于这里。
▲ 地球结构图。最外是一层薄薄的坚硬的岩石地壳,占地球体积1%,中间是塑性、可蠕动的地幔,占地球体积83%,地核由液态外核和固态内核构成地核内核源源不断地向外散发着热量。由于液态外核可以流动,地幔岩石可以蠕动,其中的物质受热都可以上升,这些热量便在不同圈层间一路“接力”冲上地表,就形成了火山。完成“接力”后,物质冷却下降,回去再受热上升,这便形成了一圈圈的热对流。
液态外核和地幔中都有这样的热对流。液态外核里含有许多铁镍等导电的金属物质。在热对流和地球自转共同作用下,电磁感应便形成了地磁场。
▲ 地磁场可以保护地球免受太阳风暴、强辐射干扰;也可以保护大气不被太阳风吹走持续的地幔对流和火山活动,将热量不断带离地核,使导电物质得以冷却下降。这些对流活动速度刚刚好,地球便拥有了稳定且强大的地磁场。
地球的原始大气主要是氢和氦,但它们质量极小,很快就被太阳风吹走了。是火山,不断喷发出大量二氧化碳、水蒸气、氮、臭氧等,形成了早期大气。地球引力加上地磁场,便将大气“锁”在了地球上。
▲ 早期大气中的水蒸气一部分来源于彗星撞击带来的冰物质,一部分就来源于火山喷发从地底带出的气态水当地球进一步冷却,大气中的水蒸气变为液态降下来,汇集在低洼处,就形成了原始海洋——水与火看似不容,但这些水有相当一部分就来源于火山。
▲ 碳循环示意图火山喷发出二氧化碳进入大气,二氧化碳又溶解于雨水中落在地表岩石上,与之发生化学反应释放出碳元素和矿物质。它们随河流汇入海洋,形成海底的碳酸盐沉积;随板块俯冲与重熔,碳元素回到地幔,再由火山喷发而出。
火山喷发出二氧化碳进入大气,二氧化碳又溶解于雨水中落在地表岩石上,与之发生化学反应释放出碳元素和矿物质。它们随河流汇入海洋,形成海底的碳酸盐沉积;随板块俯冲与重熔,碳元素回到地幔,再由火山喷发而出。
这便是地球独有的碳循环,而火山就是其中的一个恒温调节器。宾夕法尼亚大学地球物理学家布拉德·福利说,“如果火山没有将二氧化碳送回大气中,地球会变得非常冰冷,甚至封冻住。”
现在,大气里的臭氧,保护地球免受有害辐射的伤害。适中的大气则能束缚住适量的太阳能,让地表温度保持在零度之上,让水不至于结冰。
现在还有研究认为,在火山的化学环境中,无机物转化成了有机物;而这,正是生命出现的第一步。
▲ 火山形成的海底热泉可以提供多种矿物质,相比同样深度的其它海底地区,这里通常生物更为繁盛,拥有化能合成细菌、古生菌、巨型管虫、蛤蜊、节肢动物等多种生物。化能合成细菌维生的方式,不是通过光合作用,而是氧化深海热泉喷出的硫化物获取能量并合成有机质;其它生物依靠它们生活。这种热泉环境和原始海洋条件颇为相似火山塑造了一切
地球表面的岩石圈非常坚硬,地幔里的热对流则不断“冲击”着它,让地球表面的岩石圈像碎蛋壳一样被分为许多硬块。这便是板块构造。现在,地球是太阳系中唯一拥有活动构造板块的星球。
▲ 地球的构造板块示意图地球表面,地幔“驮”着板块们缓慢移动着。所以,板块与板块相遇的地方,常会发生挤压、碰撞、俯冲等活跃的构造运动,90%的火山活动出现在这里。
还有一些火山位于板块内部,来自2900km深的核幔边界的热流直接“冲上”地壳,像柱子一般,被称为地幔柱,它们形成了热点火山。
▲ 热点是地幔柱在地表的区域,位置相对固定,而板块又在其上缓缓移动,便拉成了“一大长串”的链状火山,比如夏威夷群岛的火山从地幔不断上涌的岩浆,使得陆地裂开,海水涌入裂口,岩浆不断喷发,形成增生的洋中脊,这是地球上最广泛的火山活动区域。
熔岩遇水冷却后,构成了新的海底,不断扩张将两侧的陆地越推越远,海洋也向外生长。
▲ 海洋的扩张示意图但当海洋扩张到一定程度时,密度更大的海洋地壳,会在与密度更小的陆地的交接处发生俯冲,海底物质便回归地幔,海洋开始消减,直至完全闭合。
这过程中,两侧陆地将发生碰撞,形成造山带,地球上最宏伟的喜马拉雅山脉,就是如此形成。现在的青藏高原,在几千万年前还是一片浩瀚的海洋,残留的海洋,则在高原上留下了大大小小的湖泊。比如一种看法认为,青海湖最初就是由还存留在陆地上的海水汇集而成的。
▲ 太平洋虽然是世界最大的海洋,但它正在消亡。太平洋板块在边界发生俯冲,构造活跃,形成环太平洋火山带,集中了世界上2/3的火山,如同一个“火环”现在地球上,东非大裂谷可以说是海洋生长的第一阶段,它未来将成为一条洋中脊。而红海、亚丁湾则是正在生长的海洋幼年期;大西洋是成年期的海洋,趋于平衡;太平洋的消减大于生长;地中海已经不再生长,未来将会慢慢消亡。
洋中脊火山系统使得海洋生长,推动大陆分离,最终地球变为了现在的“七大洲五大洋”模样。板块分离出现了环境隔离,再加上不同气候带的作用,生命便逐渐分化了现在差异巨大的物种。
▲ 火山地貌示意图如今,70%的地球表面都是火山岩,其中海底几乎全由火山岩组成。火山喷出了丰富的地形地貌,熔岩冷却形成高山、高原、丘陵、岛屿……中国的内蒙古高原、峨眉山地区、涠洲岛、澎湖列岛等的形成,都与火山有关。
可以说,正是火山,塑造了如今的地球模样。
“幸运”的地球
放眼全宇宙,能像地球这么“幸运”的星球可真不太多。
太阳系里,星球结构与地球十分相似的水星。体积小,冷却速度较快,它的地幔外区已冷却。在过去的10亿年中,水星的火山喷发和熔岩流都已停止,没有地幔与火山带走热量促进对流,水星的磁场已经减弱到强度只有地球的1%;加上离太阳距离最近,远不足以抵挡太阳风。水星上的大气已经全被吹跑了,上面也没有水。
▲ 火星西半球地貌示意图大小是地球的一半、距太阳更远的火星,冷却速度更快。曾经熔融的地核,可能已经固化;内部没有活动的岩浆,也没有火山活动。火星的磁场近乎消失,只有地球的1/800。
火星上曾有降水冲刷的痕迹,说明它很可能拥有过大气和海洋。但现在已经失去了稳定的大气,大气密度只有地球的1%。因此,许多地质学家认为,火星可能就是地球演化的下一阶段,换句话说,也就是没有火山,也没有地质运动之后,地球归于平静的未来。
可以说,火山活动,就是一个星球具有“生命力”的象征;它就像人类青春发育期时,激素分泌旺盛所冒出的“青春痘”。如果没有了火山,那么这颗星球也就没了心跳,没有了推动着一切代谢与重生的力量。不会有大气和海洋,更不会有生命,只能慢慢暴露在宇宙中,归于沉寂。
主要参考资料:
1.中国国家地理自然百科《地球》
2.中国国家地理自然百科《海洋》
3.The Encyclopedia of Volcanoes, Second Edition-Academic Press
4.维基百科:火山
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