书城童书我的第一本地球科学探索发现
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第18章 重大发明与发现(10)

约30亿年前,海洋里又出现了一种蓝绿色的生命——蓝绿藻。这些原始的藻类含有光合色素,在阳光的爱抚下,用阳光作能源,把水、二氧化碳和其他盐类合成为糖、淀粉和蛋白质等有机物,就像一座座精致的有机合成化工厂,从而使生命的链条一环一环地被连接起来了。据研究发现,在距今5亿多年前,海洋里的原生动物就已经是十分活跃的“居民”了。这些原生动物有独立活动的本领,有刺激感应,它们能伸出一些树枝状的“小脚”,捕捉食物或改变自己“行走”的路线。到了2亿年前,海洋已是一个繁忙的世界,生命在它的怀抱里不断进化着。大约在距今4亿年前,蓝绿藻首先登陆,以后又有苔藓植物、蕨类植物、裸子植物和被子植物相继出现。由于这些植物的出现,给昔日荒山秃岭的大地披上了绿装,使各种微生物和昆虫找到了活动的场所。在距今4亿年前,海洋里还出现了一种无颚鱼,说起来,它还是人类的老祖宗呢!它们经过上万年的繁衍,成为海洋的主人,以后,不管地球上发生什么样的剧烈变化,总有一些无颚鱼的后代适应了已改变的生活环境,变换着自己的身体结构。到距今3亿年左右,这些无颚鱼越过潮间带爬上了陆地,成为既可在陆地,又可回到海洋里生存的两栖动物。随着陆地上氧气的增加,生物用来呼吸的肺也变得更加完善。顽强的生命抵御着来自各方面的侵袭,它们终于度过了两栖阶段,脱离了海洋。到了23亿年前的中生代,爬行动物开始大量繁殖,至18亿年前的一段时间,地球可以叫做爬行动物时代。此间,又出现了许多哺乳动物,又过了1亿多年,哺乳动物才成为陆地上的统治者。此外,鸟类也由另一支原始爬行动物演化而成,这些都为更高等生物的出现提供了适宜的条件。总之,海洋是生命的真正摇篮,是一切生物进化的发源地,所以说,海洋是万物之母。

从生命的起源,到动植物的形成和登陆,直至人类的出现,海洋在生物进化的历史上有着不可磨灭的功绩。海水里溶解着各种各样的营养物质,为生命提供了丰富的养料。海洋把那些原始生命拥抱在自己的怀里,充足的海水使这些生命可以进行新陈代谢。直到如今,水也一直是生物的“命根子”。

海与洋的关系

海洋是地球表面除陆地水以外的水体的总称,人们习惯上称它为海洋。其实,“海”和“洋”就地理位置和自然条件来说,它们是海洋大家庭中的不同成员。可以这么说,“洋”犹如地球水域的躯干,而“海”连同另外两个成员——“海湾”和“海峡”则是它的肢体。

洋,是海洋的中心部分,是海洋的主体。世界大洋的总面积,约占海洋面积的89%。大洋的水深,一般在3000米以上,最深处可达1万多米。大洋离陆地遥远,不受陆地的影响。它的水温和盐度的变化不大。每个大洋都有自己独特的洋流和潮汐系统。大洋的水色蔚蓝,透明度很大,水中的杂质很少。世界上共有4个大洋,即太平洋、印度洋、大西洋、北冰洋。

太平洋是世界第一大洋,它北起亚洲和北美洲之间的白令海峡,南到南极大陆;东起南、北美洲间的巴拿马运河,西迄亚洲中南半岛的克拉地峡。约占世界大洋总面积的二分之一,大体近似圆形。大西洋位于欧洲和非洲以西,南、北美洲以东,大致呈S形,面积居世界第二位。印度洋位于非洲、南亚、大洋洲和南极洲之间,略呈三角形,其主体在赤道以南的热带和温带区域。北冰洋位于亚欧大陆和北美之间,大致以北极为中心,以北极圈为界,近似圆形。北冰洋比别的大洋浅得多,面积也最小。

海,在洋的边缘,是大洋的附属部分。海的面积约占海洋的11%,海的水深比较浅,平均深度从几米到二三公里。海临近大陆,受大陆、河流、气候和季节的影响,海水的温度、盐度、颜色和透明度,都受陆地影响,有明显的变化。夏季,海水变暖,冬季水温降低,有的海域,海水还要结冰。在大河入海的地方,或多雨的季节,海水会变淡。由于受陆地影响,河流夹带着泥沙入海,近岸海水混浊不清,海水的透明度差。

世界有多少海呢?国际水道测量局统计有54个,太平洋17个,大西洋14个,印度洋9个,北冰洋9个。最大的海要算太平洋的珊瑚海和南海,其次是大西洋的加勒比海、地中海和印度洋的阿拉伯海,最小的海是大西洋的亚速海和北冰洋的白海。

海按所处的地理位置不同,可分为边缘海、地中海和内海。位于大陆边缘,以半岛、岛屿或群岛与大洋分割,但水流交换通畅的海,被称为边缘海,如阿拉伯海、日本海以及我国的南海等,就属于边缘海。深入大陆内部,仅有狭窄的水道与大洋相通的海,被称为内海,如红海、黑海以及我国的渤海等,就属于内海。处于几个大陆之间的海,是地中海,如欧亚非大陆之间的地中海和中美洲的加勒比海,就属于地中海。世界主要的海有54个,太平洋最多,大西洋次之,印度洋和北冰洋差不多。

海按其所处的位置和其他地理特征,还可以分为三种类型,即陆缘海、内陆海和陆间海。濒临大陆,以半岛或岛屿为界与大洋相邻的海,称为陆缘海,也叫边缘海,如亚洲东部的日本海、黄海、东海、南海等;伸入大陆内部,有狭窄水道同大洋或边缘海相通的海,称为内陆海,有时也直接叫做内海,如渤海、濑户内海、波罗的海、黑海等;介于两个或三个大陆之间,深度较大,有海峡与邻近海区或大洋相通的海,称为陆间海,或叫地中海,如地中海、加勒比海、红海等。此外,根据不同的分类方法,海还可以分成许多类型。例如,按海水温度的高低可以分为冷水海和暖水海;按海的形成原因可以分为陆架海、残迹海等等。

海湾是洋或海延伸进大陆且深度逐渐减小的水域,一般以入口处海角之间的连线或入口处的等深线作为与洋或海的分界。海湾中的海水可以与毗邻海洋自由沟通,故其海洋状况与邻接海洋很相似。由于历史上形成的习惯叫法,有些海和海湾的名称被混淆了,有的海叫成了湾,如波斯湾、墨西哥湾等;有的湾则被称作海,如阿拉伯海等。

海峡是两端连接海洋的狭窄水道。海峡最主要的特征是流急,特别是潮流速度大。海流有的上、下分层流入、流出,如直布罗陀海峡等;有的分左、右侧流入或流出,如渤海海峡等。由于海峡中往往受不同海区水团和环流的影响,故其海洋状况通常比较复杂。

地球上的海洋是相互连通的,构成统一的世界大洋。在地球表面,是海洋包围、分割所有的陆地,而不是陆地分割海洋。陆地主要集中在北半球,约占北半球总面积39%,海洋面积约占61%;在南半球,陆地面积仅占19%,海洋面积约占81%。我国大陆所濒临的水域均为海,而有的国家则濒临的是大洋。

海洋形成之谜

地球表面积约51亿平方公里,凹下去的部分被液态海水所淹没,成为海洋,约为36亿平方公里,占地球总面积的71%;凸出部分为陆地,约为15亿平方公里,占地球总面积的29%。海洋的总面积差不多是陆地面积的两倍半。另外,海洋的平均深度达3795米,而陆地的平均高度却只有875米。如果将高低起伏的地表削平,则地球表面将被约2600多米厚的海水均匀覆盖。你一定会问,海洋是怎样形成的?这么多的海水是哪里来的呢?

多数的看法认为,大约在50亿年前,从太阳星云中分离出一些大大小小的星云团块。它们一边绕太阳旋转,一边自转。在运动过程中,互相碰撞,有些团块彼此结合,由小变大,逐渐成为原始的地球。星云团块碰撞过程中,在引力作用下急剧收缩,加之内部放射性元素蜕变,使原始地球不断受到加热增温。当内部温度达到足够高时,地内的物质包括铁、镍等开始熔解。在重力作用下,重的下沉并趋向地心集中,形成地核;轻者上浮,形成地壳和地幔。在高温下,内部的水分汽化与气体一起冲出来,飞升入空中。但是由于地心的引力,它们不会跑掉,只在地球周围,成为气水合一的圈层。位于地表的一层地壳,在冷却凝结过程中,不断地受到地球内部剧烈运动的冲击和挤压,因而变得褶皱不平,有时还会被挤破,形成地震与火山爆发,喷出岩浆与热气。开始,这种情况发生频繁,后来渐渐变少,慢慢稳定下来。这种轻重物质分化,产生大动荡、大改组的过程,大概是在45亿年前完成了。地壳经过冷却定形之后,地球就像个久放而风干了的苹果,表面皱纹密布,凹凸不平。高山、平原、河床、海盆,各种地形一应俱全了。在很长的一个时期内,天空中水汽与大气共存于一体,浓云密布,天昏地暗。随着地壳逐渐冷却,大气的温度也慢慢地降低,水汽以尘埃与火山灰为凝结核,变成水滴,越积越多。由于冷却不均,空气对流剧烈,形成雷电狂风,暴雨浊流,雨越下越大,一直下了很久很久。滔滔的洪水,通过千川万壑,汇集成巨大的水体,这就是原始的海洋。原始的海洋海水不多,约为今天海水量的1/10。另外,原始海洋中的水含盐量不高,不像现在这样又苦又咸,但原始海洋中的有机分子要比现在海洋中的丰富得多。原始大气化学演化过程中所形成的氨基酸、核苷酸、核糖、脱氧核糖等有机分子都随着雨水冲进了原始海洋,并迅速地下沉到原始海洋的中层,从而避免了因原始大气缺乏臭氧层而造成的紫外线伤害。又经过了不知多少年代,原始海洋中的有机分子越来越丰富了,这就为生命的诞生创造了必要的条件。后来,经过水量和盐分的逐渐增加,以及地质历史的沧桑巨变,原始的海洋逐渐形成如今的海洋。这是第一种有代表性的说法。

还有一种说法是,海水来自冰彗星雨。这是美国科学家提出的一种新的假说。这一理论是根据卫星提供的某些资料而得出的。1987年,科学家从卫星获得高清晰度的照片。在分析这些照片时,发现一些过去从未见到过的黑斑,或者说是“洞穴”。科学家认为,这些“洞穴”是冰彗星造成的。而且初步判断,冰彗星的直径多在20千米。大量的冰彗星进入地球大气层,可想而知,经过数亿年,或者更长的时间,地球表面将得到非常多的水,于是就形成今天的海洋。但是,这种理论也有它不足的地方。就是缺乏海洋在地球形成发育的机理过程,而且这方面的证据也很不充分。

关于海洋的形成和海水的由来问题,科学界至今仍不能作出最为确定的答案。近年来又有科学家认为,海洋是在地球上酝酿形成的。它们之所以能产生,可能是因为早期的地球表面含有一层厚厚的氢,氢同地幔中的氧发生反应,从而形成了湖泊和海洋。

用“声音”探索海洋

在万顷碧波的覆盖之下,海洋底部是什么样子呢?海底被巨厚的海水所覆盖,肉眼是难以观察到的,那用什么办法才能看到海底的情况呢?你或许会说可以利用水下照相、水下电视摄像或水下探照灯,但这些只能使人们看到几米至几十米范围内的东西。那还有什么办法可以探测到较大范围的海底情况呢?

在古代,人们最早是用树棍、竹竿来测量水深,后来又发展为用绳索来测量水深。当年葡萄牙航海家麦哲伦率领的船队航行到南太平洋的土阿莫土群岛时,他把拴有坠子的10根缆绳(每根约700米)接起来探测海深,但是仍未到底。于是麦哲伦宣称,这里是世界海洋最深的地方。后来调查的结果,这里的深度有5000米。用缆绳测量海洋深度,测出的数字一般比实际深度大。这是因为装上坠子的缆绳放进深海后,由于中下层海流的作用,缆绳变成弓形,以致坠子碰到海底时,所放出的缆绳长度比实际深度大得多。后来,美国人威克斯船长和丹纳博士又改用铜索作为测量绳。在这期间,还存在着其他的测深方法。比如有一个叫开尔文的人曾经发明了化学管测深法。原理是这样的:首先,他将一支玻璃管内壁涂上红色的物质铬酸银,然后用拴有重锤的测量绳带着这支玻璃管沉入海中。入水后,海水便从开口处涌入管内。海水与管壁的铬酸银发生反应,生成白色的氧化银。海水越深,压力就越大,进入玻璃管内的海水就越多,从而可以测得海底的最大水压,然后再根据物理学上的定律、公式,就会很容易地由水的气压算出海水的深度。

在第一次世界大战期间,为了能够探测到德国潜水艇的位置,法国科学家发明了用声波来探测潜水艇的方法。那就是,向水中发射声波,并检查反射来的声波,这样来捕捉敌人的潜水艇。这种研究在当时曾经非常活跃。在这种研究的基础上,人们进一步发展了音响测深法,以此来测量海洋的深度和海底地形。

大家知道,当我们对着山丘或高大建筑物高声喊叫时,声音会在碰到它们之后反射回来,这就叫做“回声”。而声音在水中传播的性能和速度比在空气中传播的还要好、还要快。声音在空气中的传播速度是每秒340米,而在0℃水中是1500米。此外声波在水中的衰减比在空气中小,因此,声音在水中比在空气中传播得更远。声音在水中遇到障碍物之后,也会反射回来。这样,根据声波在水中的传播速度,只要测出声音从船上发射再反射到船上的时间,就能知道海的深度。这即是利用“回声”来测量海深的原理。但实际上,问题要比我们想象的复杂得多。这主要是由于,声波在海水中传播的速度不是固定不变的,它是随海水温度、盐度和水深的变化而变化的,也就是说,海水下面存在着声速不同的水层。如在温度为0℃的海水里,声音每小时可跑5000多公里,比在空气中的传播速度快4倍多;在30℃的海水里,它每小时可以跑5600多公里;在含盐多的水里,声音传播的速度比在含盐少的水中要快。另一方面,声音在穿过声速不同的水层时,还会产生不同的折射。此外,声音碰到海底或障碍物也会拐弯,也就是说,声音在水中是沿着一条看不见的声道,弯弯曲曲前进的。这样,一种现代化的水声探测技术——声呐问世了。

实际上,声呐就是人们利用水声能量进行水下观测和通信的一种仪器。人们利用声呐发出的与航行方向相垂直的扇形声束,当声束到达海底遇到障碍物时,就会有强的反射,而它们的背面由于声束照射不到,就会产生声影。当航行船继续前进,声束一道道地扫过,同时记录下反射和散射信号。根据这些信号,科技人员就可以看到海底的情况了。

时至今日,利用水下声波的最常用设备就是声呐。随着科学技术的不断发展,现在已经形成了一种研究声波在海洋中的传播特点和规律,并利用声波探测海洋的学科——海洋声学。海洋声学的研究不仅解开了许多海洋之谜,也为人类开发海洋、利用海洋提供了许多有效的途径。

大洋之冠太平洋