葉夢姝

20世紀地球物理學新時代的開創(chuàng)
——讀魏格納《海陸的起源》

葉夢姝

北京大學出版社，2006年

“珊瑚僅見于水溫超過20℃的海洋中，蚯蚓不可能在凍土中生活，但能利用水溫的兩棲類，或者是淡水魚類，以及自身能產(chǎn)生體溫的哺乳類，就可能在寒冷的氣候下生存。判斷在什么氣候下有什么動植物和動植物化石的事例多得不能一一列舉。 ”

曾經(jīng)在科學界引起軒然大波的“大陸漂移理論”，隨著時間的推移，如今似乎已經(jīng)成為了中學課本中確定無疑的常識。這個理論實在是太淺顯易懂了，大西洋兩岸海岸線的相似性肉眼可見，因此容易讓人忽視了這個理論提出之時，為尋找充足證據(jù)所做出的辛苦努力。事實上，德國地質(zhì)學家、氣象學家魏格納并不是這個理論的提出者，也非相關爭論的終結者。魏格納和他的著作《海陸的起源》之所以能夠名垂科學史，是因為他匯總了19世紀以來包括地質(zhì)學、地理學、氣象學、海洋學和古生物學在內(nèi)的所有研究進展，為20世紀的地球物理學呈現(xiàn)了一幅豐富又壯麗的研究圖景。

一、 是圣經(jīng)中的洪水沖開了大陸嗎？

早在1596年，尼德蘭地理學家奧特利烏斯就在剛剛繪制出的世界地圖上發(fā)現(xiàn)了大西洋兩岸南美洲和非洲海岸線的相似性。1620年培根也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，并認為這不太可能是一個偶然的巧合。到了1801年，洪堡等人進一步發(fā)現(xiàn)，大西洋兩岸的海岸線吻合的地方其巖石種類都很相似。19世紀中期，意大利學者斯奈德·佩里格里尼根據(jù)歐洲和北美洲的煤層中植物化石的雷同，繪制出了石炭紀的古地理圖，表明在煤層形成時期，歐洲和北美洲連接為統(tǒng)一的大陸。20世紀初期，美國的泰勒和貝克在研究世界山脈的分布時，幾乎得出了大陸漂移的結論。但以上學者的發(fā)現(xiàn)，或停留在定性描述的階段，或把這種現(xiàn)象當成是《圣經(jīng)》中大洪水沖開了兩邊陸地的證據(jù)，地球海陸的演化并沒有被當成一個獨立的問題來進行研究。

二、神秘的氣候帶變化

魏格納開始其關于海陸起源的研究其實出于偶然。25歲時，他獲得了柏林洪堡大學天文學博士學位，并以氣象學作為自己的研究方向，27歲時他被馬堡大學授予了氣象學教職，成為了一名深受學生歡迎的年輕教師，他編寫的《大氣熱動力學》教科書是當時德國大學通用的氣象學教材。出于偶然，魏格納讀到了一篇奧地利學者E.休斯寫于1885年的文章，其中提到了被大西洋和印度洋分割的幾個大陸，存在一些相同的動植物化石和相似的地層沉積序列。作為一位氣象學學者，魏格納敏銳地發(fā)現(xiàn)這篇文章中列舉的一些反映古氣候信息的沉積物的分布位置與現(xiàn)代全球氣候帶分布模式不符（圖1）。海洋和陸地曾經(jīng)發(fā)生過怎樣的變化？大陸曾經(jīng)是以怎樣的方式聯(lián)系在一起的呢？這個問題從此縈繞在他的腦海中，他開始了閱讀、探險之路。

魏格納大膽假設：中生代初期，現(xiàn)在地球上的所有大陸和島嶼是連接在一起的一個龐大的聯(lián)合古陸，周圍是泛大洋，從中生代開始，這個泛大陸逐漸分離、漂移、旋轉(zhuǎn)，到達了現(xiàn)代的位置。

圖 1 地球歷史上中歐的緯度變化

三、追溯星球的歷史

地球物理學是一個非常古老的知識領域，然而20世紀之前，學者們依然無法完全拋棄來自古代的神話和猜想，困惑于局地的經(jīng)驗和定性的觀察，無論是海洋、陸地還是大氣，幾乎都沒有系統(tǒng)的科學理論能夠?qū)粳F(xiàn)象進行解釋。隨著資本主義的全球生產(chǎn)與兩次科技革命，人們對這個賴以生存的星球有了前所未有的了解，對地球的認識在19世紀中發(fā)生了巨變，地球不再是宇宙的中心、由上帝創(chuàng)造的生而完美的家園，而是一個經(jīng)過幾十億年的蠻荒演變形成的普通行星，地球的一切——陸地、海洋、大氣以及生靈萬物——都是在上億年的時間尺度上演化而來的。

四、尋找大陸漂移的證據(jù)

基于以上認識，魏格納大膽假設：中生代初期，現(xiàn)在地球上的所有大陸和島嶼是連接在一起的一個龐大的聯(lián)合古陸，周圍是泛大洋，從中生代開始，這個泛大陸逐漸分離、漂移、旋轉(zhuǎn)，到達了現(xiàn)代的位置，這就是《海陸的起源》一書的核心思想。為了證實這一假設，魏格納首次從“地球物理學”的視角出發(fā)，綜合了地質(zhì)學、氣候?qū)W、航海學和古生物學等各學科的研究成果。他從H.波托尼關于煤形成于熱帶沼澤的理論出發(fā)，從煤的分布推斷出了赤道多雨帶的移位，從巖鹽和石膏的沉積層可以反映出干燥地帶的移位，又從柯本關于氣候與植被分布的研究中推斷了沉積層中的古氣候，提供了多個角度的證明。正如他的密友、天文學家馮特所說，魏格納并不是天賦異稟的神童，對于數(shù)學、物理學等的研究并沒有什么過人的天賦，但是他善于充分利用已有的知識，把每一件事情正確地組合起來，依照嚴謹?shù)倪壿嬇袛嗄芰?，得到最終的結論。

五、魏格納的遺憾與遺產(chǎn)

“大陸漂移理論”遠非完美無缺。例如魏格納認為，大陸是由較輕的剛性硅鋁質(zhì)組成，它漂浮在較重的黏性硅鎂層上，并認為是地球旋轉(zhuǎn)的離心力使得大陸發(fā)生離極漂移。現(xiàn)在看來，這位大氣熱動力學教師的“大陸動力學”學說是錯誤的，這也是大陸漂移理論遭到了固定論者強烈反對的原因之一。20世紀60年代后，由于海洋科學和地球物理學的進展，大陸漂移理論才得以在新的動力學框架下復活。

18—19世紀，地球物理學只是物理學中一個不起眼的領域，20世紀初，這個古老的領域突然大放異彩：1914年古登堡發(fā)現(xiàn)了地幔與地核的分界面，1915年魏格納提出大陸漂移理論，1919年挪威氣象學家J.皮葉克尼斯提出了鋒面氣旋理論，從不同的視角開創(chuàng)了20世紀地球物理學的新時代。隨后，固體地球物理學、地球動力學、地震學、大地測量學、地熱學、地磁學 、水文學、海洋學、大氣科學、地核構造學和勘探學等各個領域逐漸獨立出來，自成體系，成果斐然。21世紀，隨著科學研究的不斷深入，地球物理學各領域的專家又重新意識到了陸地、海洋和大氣是一個有機的整體：熱帶海洋是大氣中重要的水汽和能量來源，地形地貌及植被的分布和氣候有著極大的關聯(lián)，廣袤的海底深藏著眾多地質(zhì)學上的重大發(fā)現(xiàn)。此時重溫魏格納100年前的視野和角度，使我們有理由期待，未來地球物理學大家庭更多的合作，必將迎來更驚喜的科學發(fā)現(xiàn)。

（作者單位：中國氣象局氣象干部培訓學院）