蓝色地球，其实有一段“黑历史”

自从有卫星以来，人们第一次知道了从太空中看，地球就是一颗蓝绿相间的行星——蓝色的是海洋，绿色的是陆地上的植被。从那以后，每当人们想起地球，都会首先想起这个经典的形象。


图1 地球（图片来源：NASA）
但实际上，地球的形象并不是亘古不变的。在植物登陆之前的40多亿年的漫长岁月中，地球的外貌就好像川剧中的变脸大师一样，变化过不下10次。
一、45.5亿年前
这时候地球才刚刚诞生——简单来说，就是无数千米直径的小行星相互碰撞，并汇聚长大。在碰撞中，动能转化为热能，让原本为石质的小行星熔融变成岩浆，同时小行星本身携带的放射性元素因为小行星熔融而开始下沉并汇聚到地核中，以放射性衰变的形式源源不断地为地球提供热量。
这时候，整个地球就是岩浆球，因此也没有海陆之分，那时候的地球可能长这样↓


图2 地球形成于大约45.5亿年前，无数小行星的撞击让地球变成一个红彤彤的岩浆球，图片中的环状就是撞击产生的。（图片来源：flickr/Kevin Gill）
二、45亿年前
大概还是45亿年前，地球形成后很快开始冷却——这很好理解，一杯热水放在室温下会变成常温水，炽热的地球在平均温度-270℃的宇宙中自然也会变凉。明亮的岩浆冷却后变成了黑乎乎的玄武质岩石，它们覆盖在地表，让地球变成黑色。
当然，这个过程是逐步发生的，先是红背景下产生小黑斑，然后黑斑变大，红色退缩，最后黑色差不多覆盖整个地球。最终，地球整体变成个黑球。


图3 地球逐渐冷却的过程，黑色越来越多，最终将会变成一个黑地球（图片来源：wikipedia/Jack Madden）
这时候依然没有一般意义上的海陆之分，但如果你把岩浆海也叫海的话，那么地球陆地上大概是这样的↓。这时期的地球上，“陆地”全部由黑色玄武岩构成，天空由温度高达数百摄氏度乃至上千摄氏度的铅灰色硅酸盐云构成。“海洋”则是红色的流动岩浆。


图4 45亿年前地球景象想象图（图片来源：NASA）
三、约44亿年前
随着地球的降温，地表终于整个凝固下来，原本炽热的硅酸盐云也因冷却而以硅酸盐雨的形式降落到地表（这里的硅酸盐云，可以简单理解为各种岩石熔融蒸发的产物；硅酸盐雨，简单理解就是熔融态的沙子。依然无法想象的话，去搜一搜吹玻璃的图片，大概就是那种效果）。
然后，随着温度继续降低，云层中的水蒸气也得以冷却凝结，变成雨水了。这些水蒸气大多来自岩浆，岩石的成分中其实也有水，它们以水分子，或是氢根、氢氧根离子的形式保存在岩石中，待岩石熔融后就混入岩浆中，最终因化学反应而形成自由的水分子，随着岩浆暴露在地表，水分子就以蒸汽形式蒸发到大气中。这是地球上大部分水的来源。
这时候，整个地球可能都被海洋包围，海洋中星星点点分布着大量火山，这些火山或在水面之上构成小型火山岛，或在水下形成海底火山——总之，这时候地球的地壳、地幔、地核三层的圈层结构还没有形成，因此并不存在板块活动与绵延的山脉。


图5 当时的地球或许长这样，整个被海水包裹，海洋中零星分布着小型火山岛（图片来源：wikipedia）
如果贴近岛屿看，可能还会发现有大量的玄武岩石柱存在，其构成的风景可能如下图：


图6 玄武岩石柱（图片来源：wikipedia）
现在地球上也有很多这种风景，比如大名鼎鼎的巨人之路等等，当然现在很难出国看，那也没关系，中国国内到处都是这种石柱风景，其中最著名的可能要数福建漳州滨海火山国家地质公园了。


图7 巨人之路的风光 （图片来源：Osip Kokin）
四、约40亿年前
地球此时可能已经形成了圈层结构，也开始形成板块运动了（但是很多科学家认为并没有，此问题很有争议）。在板块运动的作用下，地球上原本形成的小小的零星陆块开始碰撞到一起，陆地从岛屿和小陆块变成大片陆地，陆地上也开始出现山脉。
另外，不断的火山活动，也让火山岛的面积开始扩大，甚至连成一片，地球上出现了大大小小的陆地。
但此时，太阳系中开始出现大规模的小行星碰撞事件，无数小行星接连不断撞击在内太阳系的各大岩石行星上，科学家将此次事件称为后期重轰炸事件。


图8 处于重轰炸时期的地球，那时虽然有了陆地，但地球可能就是一张“麻子脸”（图片来源：NASA）
这时候的地球上，也可能与月球、火星、金星类似，出现了许多陨石坑。那时的地表荒芜干燥，其宏观的景观以陨石坑为主。其中大型陨石坑中央凹陷，周围隆起形成环形山。在环形山中间，可能形成巨大的湖泊，在环形山上同时也形成了向下方流动的河流。但此时的陆地依然荒芜无比，毫无生命迹象。


图9 环形山中间的湖泊（图片来源：NASA）
与此同时，由于地表出现了高低起伏，也因此出现了河流，河流在流动过程中，开始冲刷周边的玄武岩陆地，将这些玄武岩磨碎并带走。在有些长长的河流中，由于河流的长途搬运，玄武岩的许多深色矿物都被侵蚀消失，只留下浅色矿物，因此，此时的地表除了出现深色的岩浆岩之外，还开始出现浅色的沉积岩。


图10 现代在玄武岩石柱间穿行的河流，40亿年前的地球陆地上这种风景可能到处可见，但无一例外，没有任何生命 （图片来源：wikicommons）
五、38~35亿年前
经过长期的河流冲刷和沉积，此时的地表可能已经开始被沉积岩覆盖了，原本大规模的深色色调退去，这时的地表整体可能就是浅色色调了——比如浅黄色之类的。
陆地上依然是小型山峰（或山脉），山脉间是河流在穿行，陆地上的陨石坑依然密密麻麻。


图11 科学家对火星上有水时候的想象图（图片来源：NASA）
这时候最大的看点是最早的生物。不过此时的生物仅仅是一些海洋微生物，其中一些浮游生活，另一些则聚集在海岸边，以微生物藻席（下图右侧海边的小坨坨们）的形式存在。这些藻席形成的化石被称为叠层石，如今世界各地都有叠层石的存在。
海边风光可能如下图所示，但颜色可能类似第一张图中的黄色色调。


图12 此时海边风光的想象图（图片来源：wikipedia）
六、25亿年前
此时，最早的大陆出现了，名为凯诺兰大陆（有争议），同时板块运动也确定启动了，陆地上开始形成大规模的山脉。
此外，早期的光合作用生物也出现了，大气中开始出现氧气，这些氧气会很快氧化陆地上的铁元素，使得陆地上整体呈现红色色调。


图13 诺兰大陆存不存在，以及其形态其实还很有争议（图片来源：wikipedia）


图14 这是科学家对火星30多亿年前的样子的想象图，地球那时大约与此相似，甚至可能更红一点儿，因为地球氧气更多，对铁的氧化会更充分（图片来源：ESO）
如果深入陆地观察，陆地上此时应该已经有了山脉、河流、三角洲等地貌，只不过那时陆地上是荒芜的，没有植被覆盖而已。
那时地球的地貌细节应该与现在的火星类似，我们可以从火星上找到那时地球的影子。


图15 本图是NASA艺术家对有水的火星的想象图，从太空视角看当时的地球可能与此类似，但地球可能会更偏红一点儿（图片来源：NASA）


图16 那时的地球上也有了大峡谷，这是巨大河流塑造出来的景观（图片来源：NASA）


图17 科学家对火星上河流与三角洲的还原，三角洲上还有一个明显的陨石坑，当时地球的陆地上也到处都是陨石坑（图片来源：NASA）


图18 无水的内陆山脉（图片来源：NASA）


图19 山脚下的荒漠（图片来源：NASA）
七、约24亿年前
由于海洋中浮游生物大量繁殖，植物光合作用吸收了巨量二氧化碳，导致地球降温。这时候地球进入一个大冰期，有科学家将其称为第一次雪球地球事件，这时不管陆地还是海洋都被冰雪覆盖，因此地球是一个雪球，陆地上也白茫茫一片。


图20 冰雪覆盖的地球（图片来源:MIKKEL JUUL JENSEN/SPL/COSMOS）


图21 当时陆地上的冰湖和河流可能与此类似（图片来源：ESA-A.Gers）


图22 陆地上的山脉也都被冰雪覆盖，与现在的南极类似（图片来源：Anne Fröhlich）
当然，也不是全无生物，在某些开阔海域，还能看到许多藻类在一起生活，它们可能把一片海洋都染成了蓝绿色的条带，可能类似这样↓


图23 海洋被染成了蓝绿色的条带（图片来源：NASA）
八、约20亿年前
由于火山持续喷发，二氧化碳在大气中再次积累起来，地球重回温暖，大冰期结束，地球又变成了之前的模样——巨大的蓝色海洋间，红色大陆点缀其中。


图24 大冰期结束后的地球想象图（图片来源：NASA）
在大陆边上可能能见到冰川消融后的大片蓝绿藻，它们在远古的海面上构成了藻华。


图25 现代海边的风景，从陆地上就能看到海水一片绿 （图片来源：NASA）


图26 现代陆地边的藻华（图片来源：NASA）
九、约7亿年前
由于气候变冷，地球再次变成雪球，参考上上节。
十、约5亿年前
这时候植物早已适应了淡水环境，甚至最早的植物可能也已经开始登陆。不过可以肯定的是，有一些蓝绿藻先于植物登上了陆地，它们与某些真菌一起共生，形成地衣，这些地衣覆盖在河湖海岸的岩石上，色彩斑斓。


图27 某些原始浮游藻类可能已经适应了淡水环境，开始在内陆的淡水河湖中繁衍，同时也有一些地衣可能也登上了陆地，图中水边绿色的斑点可能就是这些生物（图片来源：NASA）


图28 现代岩石上的地衣 （图片来源：wikipedia）
十一、大约4.5亿年前
植物登陆了……地球逐渐变成了我们熟悉的模样。
出品：科普中国
作者：地星引力
监制：中国科普博览


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