葉夢(mèng)姝

20世紀(jì)地球物理學(xué)新時(shí)代的開創(chuàng)
——讀魏格納《海陸的起源》

葉夢(mèng)姝

北京大學(xué)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(dòng)植物和動(dòng)植物化石的事例多得不能一一列舉。 ”

曾經(jīng)在科學(xué)界引起軒然大波的“大陸漂移理論”，隨著時(shí)間的推移，如今似乎已經(jīng)成為了中學(xué)課本中確定無疑的常識(shí)。這個(gè)理論實(shí)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(gè)理論提出之時(shí)，為尋找充足證據(jù)所做出的辛苦努力。事實(shí)上，德國(guó)地質(zhì)學(xué)家、氣象學(xué)家魏格納并不是這個(gè)理論的提出者，也非相關(guān)爭(zhēng)論的終結(jié)者。魏格納和他的著作《海陸的起源》之所以能夠名垂科學(xué)史，是因?yàn)樗麉R總了19世紀(jì)以來包括地質(zhì)學(xué)、地理學(xué)、氣象學(xué)、海洋學(xué)和古生物學(xué)在內(nèi)的所有研究進(jìn)展，為20世紀(jì)的地球物理學(xué)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(xué)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(rèn)為這不太可能是一個(gè)偶然的巧合。到了1801年，洪堡等人進(jìn)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(jì)中期，意大利學(xué)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(jì)的古地理圖，表明在煤層形成時(shí)期，歐洲和北美洲連接為統(tǒng)一的大陸。20世紀(jì)初期，美國(guó)的泰勒和貝克在研究世界山脈的分布時(shí)，幾乎得出了大陸漂移的結(jié)論。但以上學(xué)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(dāng)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(dāng)成一個(gè)獨(dú)立的問題來進(jìn)行研究。

二、神秘的氣候帶變化

魏格納開始其關(guān)于海陸起源的研究其實(shí)出于偶然。25歲時(shí)，他獲得了柏林洪堡大學(xué)天文學(xué)博士學(xué)位，并以氣象學(xué)作為自己的研究方向，27歲時(shí)他被馬堡大學(xué)授予了氣象學(xué)教職，成為了一名深受學(xué)生歡迎的年輕教師，他編寫的《大氣熱動(dòng)力學(xué)》教科書是當(dāng)時(shí)德國(guó)大學(xué)通用的氣象學(xué)教材。出于偶然，魏格納讀到了一篇奧地利學(xué)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(gè)大陸，存在一些相同的動(dòng)植物化石和相似的地層沉積序列。作為一位氣象學(xué)學(xué)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(gè)問題從此縈繞在他的腦海中，他開始了閱讀、探險(xiǎn)之路。

魏格納大膽假設(shè)：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(gè)龐大的聯(lián)合古陸，周圍是泛大洋，從中生代開始，這個(gè)泛大陸逐漸分離、漂移、旋轉(zhuǎn)，到達(dá)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(xué)是一個(gè)非常古老的知識(shí)領(lǐng)域，然而20世紀(jì)之前，學(xué)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(yàn)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(xué)理論能夠?qū)粳F(xiàn)象進(jìn)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(duì)這個(gè)賴以生存的星球有了前所未有的了解，對(duì)地球的認(rèn)識(shí)在19世紀(jì)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(gè)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(shí)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(rèn)識(shí)，魏格納大膽假設(shè)：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(gè)龐大的聯(lián)合古陸，周圍是泛大洋，從中生代開始，這個(gè)泛大陸逐漸分離、漂移、旋轉(zhuǎn)，到達(dá)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(shí)這一假設(shè)，魏格納首次從“地球物理學(xué)”的視角出發(fā)，綜合了地質(zhì)學(xué)、氣候?qū)W、航海學(xué)和古生物學(xué)等各學(xué)科的研究成果。他從H.波托尼關(guān)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(guān)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(gè)角度的證明。正如他的密友、天文學(xué)家馮特所說，魏格納并不是天賦異稟的神童，對(duì)于數(shù)學(xué)、物理學(xué)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(shí)，把每一件事情正確地組合起來，依照嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬇袛嗄芰Γ玫阶罱K的結(jié)論。

五、魏格納的遺憾與遺產(chǎn)

“大陸漂移理論”遠(yuǎn)非完美無缺。例如魏格納認(rèn)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(rèn)為是地球旋轉(zhuǎn)的離心力使得大陸發(fā)生離極漂移?，F(xiàn)在看來，這位大氣熱動(dòng)力學(xué)教師的“大陸動(dòng)力學(xué)”學(xué)說是錯(cuò)誤的，這也是大陸漂移理論遭到了固定論者強(qiáng)烈反對(duì)的原因之一。20世紀(jì)60年代后，由于海洋科學(xué)和地球物理學(xué)的進(jìn)展，大陸漂移理論才得以在新的動(dòng)力學(xué)框架下復(fù)活。

18—19世紀(jì)，地球物理學(xué)只是物理學(xué)中一個(gè)不起眼的領(lǐng)域，20世紀(jì)初，這個(gè)古老的領(lǐng)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(xué)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(jì)地球物理學(xué)的新時(shí)代。隨后，固體地球物理學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)、地震學(xué)、大地測(cè)量學(xué)、地?zé)釋W(xué)、地磁學(xué) 、水文學(xué)、海洋學(xué)、大氣科學(xué)、地核構(gòu)造學(xué)和勘探學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域逐漸獨(dú)立出來，自成體系，成果斐然。21世紀(jì)，隨著科學(xué)研究的不斷深入，地球物理學(xué)各領(lǐng)域的專家又重新意識(shí)到了陸地、海洋和大氣是一個(gè)有機(jī)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(guān)聯(lián)，廣袤的海底深藏著眾多地質(zhì)學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)。此時(shí)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(xué)大家庭更多的合作，必將迎來更驚喜的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

（作者單位：中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院）