问题研究 火星基地应该是什么样子
【设计思路】
本章的主要任务是帮助学生从宏观层面认识地球,从而更好地理解人类的生存环境。这一内容看似浅显,要求不高,但综合性较强,对于培养学生的综合思维有很大帮助。在学生学习“地球的宇宙环境”“太阳对地球的影响”“地球的历史”和“地球的圈层结构”后,教材设计了一个综合性的探究活动—火星基地应该是什么样子,让学生联系本章学习的内容,思考人类若在其他星球上生存,需要哪些条件。
之所以选择火星,是因为火星是目前人类了解较多的行星,人类移居火星的可行性研究也开展了许多,素材较为丰富,也有科学依据和支撑,对学生来说难度不会太大。
课题探究中,研究思路尤为重要,它是分析问题和开展研究的逻辑线。“问题研究”在一开始就提供了研究思路建议,帮助学生厘清思路,并根据“知识拓展”提供的信息和问题,联系本章学习内容完成任务。
研究思路分为四个步骤：收集资料,了解火星表面的自然状况；分析火星基地应具备的基本生命保障条件；收集资料,了解人类目前在生物圈研究领域的成就；分析火星基地的基本功能,绘制构想图。
第一步要求学生先通过资料了解火星的自然状况,对此,“知识拓展”部分的资料1提供了火星自然条件的基本信息。这些信息主要指向温度、大气、水分、土壤等自然要素。
在这样的自然环境下,人类如何生存?这就要引导学生对比人类在地球上的生存环境。这一过程也加深学生对地球环境的认识。对此,资料1的分析2提出问题：若在火星上生存,需要改造哪些环境条件?
要使得人能够在地球之外的星球上生存,科技领域需要开展研究和试验以模拟地球上人类的生存条件。这是步骤三的探究任务。教材资料2介绍了近年的一个相关试验—“绿航星际”,以开拓学生的思维。学生可在此基础上了解更多此类研究试验,将其迁移到人类在火星生存的可行性研究上。
最后一步,要求学生进行信息综合。这需要将火星基地作为一个系统,全面考虑其形态、功能、防护等方面的问题。这一探究过程也有利于培养学生的综合思维。
【实施建议】
本章主题是人类生存的环境,从宇宙环境到地球环境,从地质历史时期到现今人类的生存环境。关于火星基地的研究,并非空中楼阁。科学界多年前就已经开始研究,一些关于人类在外星球生存的电影也有很多,这些都可以成为课堂的素材。以情境入手尝试模拟地球环境,既有科幻色彩,也有现实依托,可以充分激发学生学习热情。
随着世界人口的激增、人类科技水平的不断提升,地球资源环境问题日渐凸显。寻找人类的另一家园,既有研究价值,也有现实意义。在研究的同时也能让学生认识人类生存环境,更好地理解“环境”这个词的地理学意义。
问题情境
教学中,尽量以情境导入,引发学生思考人类能否以及怎样才可能在火星生存。可参考以下导入方式。
方式一：可通过电影情境导入,选取电影中的部分情节,引导学生思考人类能否在火星生存。与火星相关的科幻电影有很多,如《火星之旅》《火星任务》《火星救援》等。
方式二：可引导学生思考探索外星球生存环境的必要性。随着世界人口的增长,人口对环境的压力逐渐增大,人类憧憬迁居外星球。
研究过程
该研究是畅想型的研究性学习,重在引导学生基于目前观测的火星资料展开合理的想象。研究主要分为课堂明确要求、课下研究解决问题、多样化成果展示三部分。具体研究过程可划分为以下五个阶段。
第一阶段,进入问题情境,即学生对“火星表面的自然状况”有一定的感知或了解,形成积极开展研究的兴趣和意向,并初步调用本单元的相关知识对其火星基地建设可能面临的问题有大致的方向性判断。
第二阶段,明确研究思路,即学生根据问题情境提出问题,并结合教材提出的问题,对基地建设面临的问题进行细分,并根据自己的兴趣选择具体问题,形成研究小组,制定研究方案。
第三阶段,收集丰富材料,即学生能够按照教材资料分析的提示,通过网络等途径,收集火星、月球探测、空间实验室、火星模拟实验室等方面的文字、图片资料,进一步深化对火星环境的认识,明确火星基地建设可能面临的挑战。
第四阶段,分析解决问题,即学生能够参考上述资料中实验室建设的方法和思路,借鉴教材提出的生物圈研究的成功经验,提出火星基地建设的功能需求,并画出基地草图,同时分组对其合理性进行分析、论证。
第五阶段,交流展示成果,即学生能够运用科学的语言、准确的图像、正确的逻辑表达个人或小组论证的结果,并对他人的研究成果进行点评,对自己的研究过程进行反思。
上述五个阶段的研究过程中,需要教师给予帮助、指导。第一阶段需要教师对问题本身有深入的研究,并进行情境设计与问题引导。第二阶段需要教师具体指导制定研究方案。第三阶段需要教师提供相关网站和书籍,指导学生有针对性地收集、整理资料,并运用过程性评价来调控学生的分工合作以及实践过程。第四阶段需要教师引导学生根据教材“知识拓展”的思路和“资料分析”的提示,对所列问题进行深入探讨。第五阶段需要教师有欣赏与宽容的评价态度,鼓励学生畅所欲言,形成思维碰撞和交流。
【知识拓展】
资料1 火星概况
该资料的分析和运用,一要引发学生思考人类的生存环境,二要分析人类在火星生存需要改造的环境条件,进而思考改造的措施或方法。
火星上是否具备人类生存的条件?该问题设计,主要让学生在情境中思考人类生存需要的环境条件,一方面引导学生应用所学知识解决情境问题,另一方面培养学生在材料中提取信息、加工信息的能力。可参考以下方式开展教学。
方式一：利用类比的方法。地球具有适宜高级智慧生物生存和繁衍的温度、水和大气条件。结合材料分析火星环境特征与地球的差异。
方式二：分组研究。一组同学收集材料并分析火星适合人类生存的条件；另一组同学收集并分析火星不适合人类生存的条件。
若在火星上生存,需要改造哪些环境条件?第一小题已经给了回答第二小题的思路。从孕育智慧生命的条件入手,对比火星与地球的环境差异。因为在“分工设计”部分要求学生提出设计方案,建议在这一部分讲一些人类登陆火星可能面临的挑战和困难。可以考虑以下两种方式。
方式一：引导学生思考如何对火星表面环境进行改造。对于学生提出的方法进行总结,然后指导学生对这些方法进行可行性研究,自然过渡到我国对这一问题的研究上。“绿航星际”就是关于人类星际旅行和地外居住的一项可行性试验研究。
方式二：给出中国或世界对宇宙的探索简史,了解至今科学界已经开始的人类外星居住的可行性研究。“绿航星际”是我国关于人类星际旅行和地外居住的一项可行性试验研究项目。
资料2 “绿航星际”
分析“绿航星际”试验对火星基地建设的参考价值：一是“绿航星际”试验平台为什么要在封闭环境中进行?二是“绿航星际”试验平台在模拟什么?火星表面环境恶劣,不适宜人类生存,但人类或许可以尝试在密闭的人造环境中生存。封闭环境内的大气、水和食物的循环再生,恰好就是模拟地球表层大气圈、水圈和生物圈。
【问题分析指引】
资料1 火星概况
1.火星上是否具备人类生存的条件?
分析该问题要体现地球和火星的环境差异。首先要回顾教材关于人类生存条件的内容,然后充分运用材料内容分析火星与地球的环境差异。这里强调通过对比凸显差异。如火星稀薄的空气、高浓度二氧化碳与地球大气环境差异显著;火星表面昼夜温差大,夜晚温度过低,即使近期研究发现火星中纬度地下有水,但是却是以固态形式存在;火星表面环境恶劣,大风、沙尘暴、遍布的尘埃都成为人类在此生存的障碍。
若能分析火星与地球类似的特征,也是不错的尝试。例如,火星也是围绕太阳运行、绕轴自转的行星,也有大气层,在一年中也有季节的变化,火星到太阳的距离与地球到太阳的距离接近。如能尝试提出对火星环境进行改造就可直接过渡到第2小题。
2.若在火星上生存,需要改造哪些环境条件?
分析该问题要结合地球的环境特征来进行。本章第一节给出地球具有高级智慧生命生存和繁衍的温度、水、大气等条件。而火星不具备这些条件,要想在火星上生存就需要对这些条件进行改造。
资料2 “绿航星际”
分析“绿航星际”实验对火星基地的建设能提供哪些参考?
该问题要从形态、功能、防护等方面综合分析。首先鼓励学生收集材料。虽然学生已具备了一定的知识储备,但是前沿科学的研究对学生来说难度大,通过学习课本材料和收集课外材料,可以为学生研究储备素材。其次需要指导学生综合思考问题。火星并不具备人类生存的条件,所以制造可循环的封闭环境,对于实现人类在火星生存的愿望显得尤为重要。“绿航星际”基于生态学原理,实现封闭环境内的大气、水和食物的循环再生,为未来火星基地的建设提供了很好的模拟实验,为人类走向火星打开了新局面。
第一章 宇宙中的地球
知识拓展
【太阳系的边界】
1543年,日心说的提出引发了一代又一代科学家对太阳系边界的探索。在最初的200多年内,太阳系的边界一直被认为是土星(距离太阳14亿千米)。直到1781年天王星(距离太阳约29亿千米)的发现,人们对太阳系边界的认识发生了变化。天王星发现后,天文学家计算了它的轨道,然而结果却与观测并不吻合,于是推测有一未知行星对天王星产生了引力。按照这一推测,有人先后推算出新行星的轨道和位置。1846年,第八颗行星海王星(距离太阳约45亿千米)被成功找到,太阳系的边界扩展到此。1930年,比海王星更遥远的太阳系天体冥王星被发现,太阳系的边界被扩展到约59亿千米处。此后,有天文学家提出,在冥王星那样远离太阳的地方,行星的形成过程会因物质分布过于稀疏而无法进行到底,会在45亿-83亿千米处形成一个由“半成品”组成的小天体带-柯伊伯带。自1992年起,柯伊伯带中的天体陆续被发现,它们的分布范围比原先估计的更广。柯伊伯带的发现使太阳系的边界又向外扩展了好几倍。然而这仍然不是太阳系的边界。因为有很多科学家推测,在距离太阳系更遥远的地方有可能存在一个彗星的“大仓库”-奥尔特云,它的范围可能延伸到距离太阳75000亿-225000亿千米处。这几乎到了太阳引力控制范围的最边缘,在那之外即便还有天体,也不会再像普通太阳系天体那样围绕太阳运动,也就不再被视为太阳系的一部分。因此,奧尔特云如果存在,它的外缘无疑就是太阳系的边界了。
【矮行星】
根据国际天文学联合会对“行星”和“矮行星”的定义,矮行星同行星最大的区别就在于“尚未清空其轨道附近的区域”。太阳系中一些质量较大的天体,会清除或散射邻近的小天体,质量较小的天体则无法做到这一点。它们只能处于不断变化的轨道之上,或者由一个大质量的天体来维持它们的轨道。例如,地球的质量就足以清除靠近它的天体,比如近地小行星。但地球同时还维持着月球的轨道,使它免于被清理。八颗行星都有这样的能力。冥王星由于质量相比其他行星过小,轨道过扁,与海王星公转轨道有交错,在2006年被重新归类为矮行星。根据新的分类方案,天文学家认为太阳系中至少存在几百颗矮行星。目前在太阳系中有五个官方认可的矮行星：谷神星、冥王星、阋神星、妊神星以及鸟神星。天文学家还发现了创神星、亡神星等类似冥王星的柯伊伯带天体。2006年,探索太阳系最外层的“新视野”探测器升空,其任务是了解冥王星和柯伊伯带,以帮助人们进一步了解太阳系。
【小行星】
在火星和木星的轨道之间,有数以十万计的小型天体围绕着太阳运行,这个区域被称为小行星带,这些小型天体就是小行星。小行星由岩石或金属组成,表面布满撞击坑,其中仅有5颗直径超过400千米,有100万-200万颗直径超过1千米,还有几百万颗直径更小。小行星带上所有的小行星质量加起来也没有月球的质量大。很多人认为它们是太阳系形成时剩下的小型天体。大多数小行星位于小行星带,有些小行星则常在地球和月球之间通过,地球和月球上的大型撞击陨石坑可能就是小行星撞击留下的。
【我国的探月工程—“嫦娥工程”】
2004年,我国正式开展月球探测计划,将绕月探测工程命名为“嫦娥工程”,并将第一颗绕月卫星命名为“嫦娥一号”。“嫦娥工程”按计划分为“无人月球探测”“载人登月”以及“建立月球基地”三个阶段。目前已经发射的“嫦娥一号”到“嫦娥四号”探测器,都属于无人月球探测阶段。这一阶段又分为“绕”“落”“回”三步。与我国探月计划“绕”“落”“回”三步对应设计的3颗卫星是嫦娥一、三、五号,它们分别具有备份卫星“嫦娥”二、四、六号,用来预防因突发事件而可能导致的计划延迟。
2007年发射的“嫦娥一号”卫星圆满完成了第一期“绕月”使命,首先实现卫星绕月飞行探测。这一阶段主要任务在于研制和发射能够探测月球的卫星,为后续工作铺路。绕月时可利用很多仪器对月球拍照、观测。
“落”为第二期。“嫦娥二号”成为“嫦娥三号”先导星,先验证了一部分关键技术,又对预选降落区域进行了探测。2013年发射的“嫦娥三号”实现了月球软着陆,这也是我国航天器首次降落在地球以外的天体。“嫦娥四号”是世界首颗在月球背面软着陆和巡视探测的航天器。“嫦娥三号”发射成功后,曾计划不再发射“嫦娥四号”,仅作为“嫦娥三号”的备份。经过论证,“嫦娥四号”通过审议,计划降落在月球背面。2018年12月8日,“嫦娥四号”成功发射。
“回”为第三期。未来,我们的航天员不能当滞留的“嫦娥”,而要随探测器返回地球。同时,科学家也需要在地球对月球样本进行分析。因此,这个阶段需要可以把月球车采集的样品带回来的技术。2020年11月24日发射的“嫦娥五号”,其任务就是无人自动采样返回。
【不同波段的望远镜】
天文学家使用不同波段的望远镜观测天体：从高能的伽马射线、Ⅹ射线,到紫外线、可见光、红外线,再到射电波。这是因为天体的辐射是多波段的,天文学家可以通过不同波段的望远镜,看到同一个天体的不同方面。例如,在无月的夏夜,在远离城市灯光的地方,我们可以看到繁星中有一片片黑色的区域,这些是厚厚的尘埃云。虽然它们在可见光波段是黑色的,但如果用红外或者射电望远镜观测,我们会发现这些尘埃变得非常明亮。原来冷冷的星际尘埃云主要由分子和尘埃颗粒构成,它们放射的主要是波长较长的射电波和红外线。宇宙中的天体往往辐射多种波段的电磁波,天文学家若只用一个波段进行观察,就只能了解天体的一个侧面,多波段的观测才能够全面了解。
【地球以外是否具有生命存在的可能】
现代的天文观测和实验越来越支持这样一个观点：宇宙间任何天体,只要条件合适,就可能产生原始生命,并逐渐进化到高级生物。近年来,科学家一直致力于寻找外星生命。
我们知道地球上拥有生命是因为具有液态水、适宜的温度和比较厚的大气层等,然而,这些条件是生命存在所必需的吗?它们是否仅仅是地球生命碰巧需要的条件?对于科学家而言,他们只能将地球上的生命作为研究样本,除非在其他星球上找到生命,否则将难以回答这一问题。
近年来,科学家在曾经被认为是生命无法存在的地方发现了大量的生物。比如在海底火山口附近生活着多种生物,在南极冰川的地表深处也有微生物生长,在地球深处的岩石中也有生命存在,甚至在热核反应堆中也可以找到生命。科学家研究发现,很多生物不是从太阳光中获取能量,而是直接从化学物质中摄取能量。可见,我们通常认为的适宜的温度和氧气并不是生命存在的必需条件。
从理论上讲,一个存在液态水的星球,只要有足够长的发展时间,就有可能演化出生命。科学家们目前正在开展对火星、木卫二等地外天体的探测。随着科技的进步,人类的探索之路会越走越远,揭开秘密的那一天也会越来越近。
【太阳黑子】
太阳黑子是最常见和最容易观测的一种太阳活动现象。在普通望远镜的焦平面上放置照相底片拍摄太阳,或用附加强减光滤光片的望远镜对太阳目视观测,就能看到太阳表面经常出现的暗黑斑块,这就是太阳黑子。当太阳在地平线附近,或遇到薄雾天气时,日面上若有特大的黑子,往往用肉眼就能看到。
太阳黑子倾向于成群出现,因此日面上经常形成一些黑子群。每群黑子数量从一两个至几十个,单个黑子大小则从几百至几万千米。黑子都有很强的磁场。黑子本质上是太阳表面的强磁场区,黑子越大,磁场越强。太阳等离子体难以横越磁力线运动,造成黑子区对流不畅,太阳深层的热量难以充分输送到太阳表面,导致该局部区域温度下降,变得稍暗。因此,黑子的强磁场是造成黑子暗黑的原因。
太阳黑子多时,其他太阳活动也比较频繁。黑子附近的光球中总会出现光斑；黑子上空的色球中总会出现谱斑,其附近经常有日珥；黑子上空的日冕中则常出现凝块等不均匀结构。同时,太阳耀斑绝大多数也发生在黑子上空的大气中。所以太阳大气从低层至高层,以黑子为核心形成了一个活动中心,称为太阳活动区。黑子既是活动区的核心,也是活动区最明显的标志。这样就可用表示黑子群和黑子多寡的所谓“黑子相对数”,代表某日或某一时期的太阳活动平均水平。
【日冕物质抛射】
从20世纪70年代开始,通过放置在空间飞行器上的日冕仪观测发现,太阳最外层大气日冕层中存在相当频繁的瞬变现象,主要是日冕物质抛射(CME)。日冕物质抛射表现为几分钟至几小时内从太阳向外抛射一团日冕物质(速度一般从每秒几十千米直至超过每秒1000千米的等离子体),使很大范围的日冕层受到扰动,从而剧烈改变了日冕的形态和磁场。日冕物质抛射是日冕大尺度磁场平衡遭到破坏的产物。日冕物质抛射与其他太阳活动现象如耀斑、日珥等之间存在不同程度的相关性。过去把观测到的源于太阳的各种日地空间和地球物理现象,如行星际激波、高能粒子事件、磁暴、极光和电离层骚扰等,几乎全部归因于耀斑。但经过近20年对日冕物质抛射及其相关现象的研究表明,日冕物质抛射所造成的日地空间效应和地球物理效应并不亚于太阳耀斑。
【地球辐射带】
地球辐射带是地球内部存在的天然磁性现象。地球可视为一个磁偶极,其中一极位在地理北极附近,另一极位在地理南极附近。地磁场虽然很弱,但却延伸到很大的空间。地球磁场对地球而言有屏障太阳风所挟带的带电粒子的作用,它犹如一个幔帐,保护着地球上的生物,使之免受宇宙辐射的侵害。因此,地磁场是地球环境的主要因素之一。
高能带电粒子长时间被地磁场捕获的区域叫地球辐射带,又称范艾伦辐射带。辐射带内的带电粒子是太阳风、宇宙线与地球高层大气相互作用而产生的高能粒子。它们在地磁场的作用下,沿磁力线作螺旋运动并不断辐射电磁波。带电粒子在地球高空磁场中绕磁场旋转和沿磁力线运动,在南、北较高纬度处被反射,回到赤道区。辐射带的范围和形状受地磁场的制约,也和太阳活动有关,在朝太阳的方向被太阳风压缩。辐射带中的带电粒子数也同地磁场和太阳活动的变化有关。
高能粒子在地磁场中运动会产生电流,进而影响地磁场；它们和等离子体波交换能量,引起波的放大、衰减、折射和反射。特别是高能粒子同航天器作用会产生电离、原子位移、化学反应、核反应和轫致辐射,损坏航天器上的太阳电池、集成电路和传感器,并对航天员造成辐射损伤。高能粒子(尤其是重离子)通过二进制触发器时很容易使电路翻转,导致逻辑系统紊乱,这是引起卫星故障的一个重要原因。磁暴期间同步卫星高度附近辐射带高能粒子通量突增,可引起卫星内部深层充电,导致卫星失效,造成重大损失,是空间活动的严重威胁。
【空间天气的监测和预报】
天气是人们日常生活中经常谈论的话题,而空间天气并不在这范围内,它是指由于太阳活动对地球以及近地区域所造成的影响。针对空间天气的预报就是空间天气预报。空间天气预报是围绕着太阳展开的。太阳活动产生的高能粒子在对外传播的过程中,会对地球的磁层、大气层等产生影响,使得地球上无线电传播受到干扰,还可能造成地表电网过热、航空运输中断、卫星导航失灵等。空间天气预报需要解决的是它将何时以及怎样影响地球。
空间天气对航天事业十分重要。有报告称,40%的航天器故障与空间天气有关。对于宇航员来说,空间天气与生命息息相关。如果宇航员出舱时,正巧遇到宇宙中的高能粒子,很可能因短时间内辐射计量超标而危及生命。由此可见,空间天气对地球的影响很大,需要精准的预报。
【金钉子】
“金钉子”是全球年代地层单位界线层型剖面和点位(GSSP)的俗称,是国际地质科学联合会及国际地层委员会制定的年代地层单位界线的标准。在一个特定的地点和特定的岩层序列中标出的“金钉子”,就是地质历史的“刻度”,它是确定和识别全球两个年代地层之间界线的唯一标志。地质年代的基本单位是阶,“金钉子”用来确定阶的底界,国际年代地层表共需要建立101个“金钉子”。截至2018年,中国已建立11颗“金钉子”。
【化石的种类】
化石是地质历史时期保存于地层中,经石化而形成的古生物遗体或遗迹。化石有多种类型,我们常见的有以下几类。第一类是实体化石,多为动物的骨骼和壳体以及植物的根、茎、叶等经石化而形成,能保存生物的形态、结构等。第二类是铸模化石,是生物体的外壳或其他结构被沉积物掩埋后,被地下水溶解所形成的印模,能反映生物体的形状和表面结构。第三类是生物体的遗迹化石,包括生物活动留下的痕迹(足迹、粪便、胃石、潜穴等)和软体生物印在地层中形成的化石。还有一种特殊的化石是琥珀和冻土中的化石。琥珀是由古植物分泌的树脂包裹住昆虫硬化后而逐渐形成的。常年冻土中的生物遗体,因冰冻而没有被石化,也可称为化石。
【联合古陆的形成和解体】
元古宙时,形成于太古宙的微大陆开始相互碰撞,使得多个微大陆聚集在一起,连成面积较大的陆地,同时碰撞形成了山脉。约12亿年前的元古宙中期,所有的大陆汇聚于赤道,形成罗迪尼亚超级大陆,此时75%的地球大陆地壳形成。7.5亿年前,罗迪尼亚超级大陆开始解体。
罗迪尼亚超级大陆解体后分解成四五块主要的陆地,并各自漂移分开。其中最大的一块陆地漂移进入南极地区,形成厚冰盖,大多数挤到赤道附近。在寒武纪时,大陆运动将现在的南美大陆、非洲大陆、印度大陆、澳大利亚和南极洲大陆聚合为冈瓦纳大陆,大部分地区都处于南极；志留纪期间,北半球所有的大陆聚合为劳伦西亚大陆,包括北美大陆、格陵兰岛和欧亚大陆。劳伦西亚大陆和冈瓦纳大陆被特提斯洋分隔。冈瓦纳大陆和劳伦西亚大陆从晚泥盆纪开始碰撞,持续到石炭纪,最终拼合成泛大陆,也叫联合古陆。联合古陆几乎从南极延伸到北极。之后,大量较小的陆块持续向联合古陆运动,碰撞并拼贴。到三叠纪初期,联合古陆面积达到最大。此时,地球表面其他地方只有一个大洋,称为泛大洋。三叠纪晚期,联合古陆开始解体,分离出的大陆朝着它们现在的位置漂移。联合古陆的裂解形成了三个主要的大洋,即大西洋、北冰洋和印度洋。
【埃迪卡拉生物群】
寒武纪之前地球上的生物种类和数量都很少,除了一些藻类化石外,就是一些没有骨骼和壳体的遗迹化石,以澳大利亚埃迪卡拉地区发现的遗迹化石最多。因此这一时间段的此类化石被命名为埃迪卡拉化石。近些年来,世界各地都发现了埃迪卡拉化石,这些化石距今6亿-54亿年。地质学家推断在埃迪卡拉生物之前,生物界主要由微型单细胞生物体构成。元古宙末期地球经历了重大自然变化,推动着物种的快速发展。海洋出现了地球演化历史中最大的新物种爆发,诞生了几乎所有的海洋生物类群。
澳大利亚埃迪卡拉山区的地层中包含大量含有奇特生物的化石,这些生物的身体结构和形态在之前和之后的化石记录中均未有发现。化石表明,此时占统治地位的动物是腔肠动物,体型巨大。这为地球复杂生命形式的存在提供了最古老的证据。
后来,绝大部分埃迪卡拉生物群在一场大规模的灭绝事件中消失,与现代动物有关的有机体则开始在海洋中出现。只有当前寒武纪海洋去除原始的生命形式,才能出现更为高级的生物繁衍和多样化,可以说正是埃迪卡拉生物群的消失才推动了寒武纪生物大爆发的出现。埃迪卡拉动物群可看作是高级生物出现的预演。
【澄江生物群】
20世纪80年代,在中国云南的澄江一带,发现了距今53亿年寒武纪早期的许多动物化石。这些化石大都保存在质地细腻、坚硬的泥岩中,因此不仅动物的硬体部分,连软体部分也都保存了下来。后来这些动物化石被命名为澄江生物群。这一发现使该时期已知的动物门猛增至30多个,比现在所有的动物门还要多,几乎现在所有动物的祖先当时全部出现了。澄江生物群的发现揭示了寒武纪的一次生物大辐射事件,人们形象地将它比喻为“生物大爆发”。
澄江生物群提供了一个完整的最古老的海洋生态群落图,对这种生态群落的认识之前几乎是一片空白。发现该化石群后,不仅能知道在寒武纪大爆发时产生了哪些动物,还能初步了解不同动物的生活方式和食性。澄江生物群或许还能帮助了解寒武纪生物大爆发中生物演化的原因。澄江生物群保存完整、门类多、层次分明、分布广泛,为世界古生物之最,与澳大利亚埃迪卡拉动物群、加拿大布尔吉斯页岩动物群一起,被世界古生物学列为地球早期生命起源和演化实例的三大奇迹。
【布尔吉斯页岩动物群】
加拿大落基山脉地区的布尔吉斯页岩也为寒武纪生物大爆发提供了大量的化石证据。布尔吉斯页岩动物群的发现时间早于澄江生物群,但研究发现这些动物生活时代大约在中寒武纪(距今5.05亿年),略晚于澄江生物群。布尔吉斯生物群的发现给当时的科学界带来极大震撼,它使科学家们第一次清楚地认识到,在寒武纪海洋中具有骨骼的动物仅占少数,绝大多数是不易保存的软躯体动物门类。大约一半的布尔吉斯页岩动物群是由节肢动物组成的,大约有20种已灭绝的节肢动物在化石中保存下来。寒武纪有名的奇虾发现于布尔吉斯页岩动物群,它们是寒武纪肉食动物中体积最大的,同时也是化石记录中已知的最古老的大型食肉动物,三叶虫就是它们的食物之一。
【放射性同位素测年】
地质年代间有巨大的时间跨度,科学家用放射性同位素的衰变速度来进行精确测量。用以测年的每种同位素,在含有这种同位素岩石形成时,就一直以固定的速度发生衰变,且衰变的产物也以相应的速率累积。原始的放射性元素称为“父元素”,新元素称为“子元素”。利用岩石中父元素和子元素的比例,就可以推断岩石的年龄。
由于一种同位素的完全衰变通常需要很长的时间,科学家只需要用初始量衰变的一半的时间来计算。这个一半的时间称为半衰期。当父元素和子元素的数量相同时就经历了一个半衰期,当比例为1:3时,就经历了两个半衰期。三次半衰期后,比例为1:7。例如,若某种不稳定同位素的半衰期是100万年,其父元素和子元素的数量之比是1:7,则表明经历了3次半衰期,样品的年龄可以确定为300万年。
自然界中存在很多放射性同位素,其中铷-87(87Rb)、钍-232(232Th)、铀-238(238U)、铀-235(235U)、钾-40(40K)、碳-14(14C)在放射性测年中具有重要意义。87Rb的半衰期是470亿年, 232Th的半衰期是141亿年, 238U的半衰期是45亿年、235U的半衰期是7.13亿年,可用来测定百万年级的岩石年龄。40K的半衰期虽然是13亿年,但更为通用,能检测某些年龄小于10万年的岩石,因为这些岩石中有稳定的衰变产物40Ar。40Ar在许多常见矿物如云母和长石中含量丰富。测近期的地质事件时,人们通常使用14C。14C是碳同位素,半衰期为5730年,因此多用来测定近期地质历史事件。
【原始地球】
约在46亿年前,围绕着初生太阳的小行星和动荡的尘埃云共同形成了原始地球。由于地球内部放射性物质衰变产生热量,再加上其他天体的撞击,地球在最初的1亿年内还是一个炽热的火球,地核和地幔在这个过程中逐渐发生分异。形成之初的5亿年期间,地球表面一直是灼热的,岩石处于熔融状态。当太阳开始发光后,强劲的太阳风和大规模的陨石撞击将地球上的气体吹向宇宙,地球处于真空状态。由于缺少大气保存内部所产生的热量,地球表面迅速冷却,形成薄薄的一层玄武岩地壳。由于太阳系残余陨星的撞击和频繁的火山喷发,形成的地壳被不断破坏、熔化。直至30亿年前,现代格局的地壳才基本形成,构造运动开始起作用。
关于早期地壳的大量信息可由一些保存完好的最古老岩石提供。它们在地球形成几亿年后,生成于地壳的深部,而今露出地表。最古老的岩石是位于加拿大西北部的片麻岩,是40亿年前的变质花岗岩,它表明当时的地壳正在形成之中。
【原始地球大气的来源】
在最初的5亿年内,地球绕其轴线高速旋转,地表岩石灼热。当时地球没有大气层,像如今月球一样处于近真空状态。在距今约42亿年,随着陨星撞击,地球拥有了由二氧化碳、氮气、水蒸气、氨气、甲烷等组成的原始大气。原始大气中水蒸气处于过饱和状态,大气压力几乎要比现在高出100倍。
大部分水蒸气和气体源自地球自身。岩浆含有大量的挥发物,主要是水和二氧化碳。地球深处的巨大压力使得挥发物保存在岩浆内。当岩浆上升至地球表面时,由于压力减小,挥发物便释放出来。部分水蒸气和气体来自外部空间。有些撞击地球的陨星由固态气体、固态冰等构成,这些陨星撞击地球之后,释放大量的水蒸气和气体物质,这些气体主要是二氧化碳、氮气和甲烷等。
【恐龙灭绝的原因】
关于恐龙灭绝的原因,科学家们一直争论不休,已公开提出的观点多达100余种。得到较普遍认可的观点是恐龙灭绝与小行星撞击地球有关。
有科学家指出,在6500万年前,一颗小行星撞击地球,引起地震和火焰风暴,把几百亿吨的物质抛入大气层,遮挡住太阳的光线,令许多生物失去生存空间,包括恐龙。小行星撞击地球的假说获得了许多科学家的支持。有的科学家在古生代和中生代分界的地层中发现了大量铱元素,这种元素在地球上很少,而在其他星球上很多,这一发现为小行星撞击地球假说提供了支撑。1991年,在墨西哥的尤卡坦半岛发现一个发生在久远年代的陨星撞击坑,更进一步证实了这种观点。但也有许多人对这种小行星撞击论持怀疑态度,理由是蛙类、鳄鱼以及其他许多对气温很敏感的动物都经历了白垩纪而生存下来,这种假说无法解释为什么只有恐龙灭绝了。
除了小行星撞击说之外,关于恐龙灭绝的主要观点还有气候变迁说、物种斗争说、大陆漂移说、地磁变化说、被子食物中毒说、酸雨说等,这些假说在科学界都有较多的支持者。
【人类对地球内部结构的探索】
与凡尔纳在19世纪科幻名著《地心游记》中对地心熔岩、火焰等新奇想象相比,人类对地球内部的真实了解还远不够丰富。要了解地球的内部情况,最直接的办法就是钻孔,然而,地球内部的极端条件让科学家无法深入到地下进行探究。
目前人类的直接钻探最深只有12千米,连陆地地壳都没有穿透,与6000多千米的地球半径相比,这仅仅只是地球的表皮。科学家通过对地震波在地球内部传输状况的观测,确定了地球内部的分层,这是通过间接证据获得的结论。而地球内部的物质组成则需要来自岩石样本的直接证据。
地壳物质可以直接获取。有些地幔物质由于地球内部的压力,会直接涌出地表,如冰岛等地；有些地幔物质可穿过较薄的海洋地壳获取,这是近年大洋钻探的目标之一。人类无法直接观测地核,现在对地核的认识来自对宇宙其他天体(比如陨石)的认识,以及地球物理化学性质的推算。
【地球内部圈层结构的形成】
原始地球是一个接近匀质的球体,那时各种物质混合在一起,没有明显的分异现象。地球圈层的分化与地球的温度变化有密切的关系。在低温状态下,各种物质以固态存在,不能在重力作用下自由升降。后来,放射性元素在衰变中产生的热量,以及地球本身因体积收缩而产生的热能,在地球内部积累,使地球内部温度逐渐升高,物质具有可塑性。在重力作用下,物质发生分异,轻的物质上升形成外层,重的物质下沉形成内层,于是形成地球的固体圈层。由于硅酸盐物质密度低、熔点高,而铁、镍物质密度高、熔点低。因此当地球内部温度够高时,铁和镍便熔化,而硅酸盐物质却仍能保持固体状态。这样熔融的铁和镍便流向地球的深处,形成地核；而硅酸盐物质便上浮形成地幔和地壳。而组成地幔和地壳的物质也有轻重的区别,比如花岗岩最轻,玄武岩次之,橄榄岩最重,因此较重的橄榄岩下沉形成地幔,而玄武岩和花岗岩上浮形成地壳。