開天闢地

這本書融合了天文、物理、化學、地質和古生物等領域的知識，來探討宇宙和地球的過去與未來。它的內容豐富、由淺入深，不論是初學者或地球科學專家都看得懂，而且都能有很大的收穫。哥倫比亞大學（作者任教的學校）地質科學系畢業的博士生甚至告訴我，十餘年來，本書仍然是該校學生預備博士資格考試時，人人必備的讀物，可見受重視的程度。目前本書已另發行德文版和日文版。

地球，是一顆很獨特的行星。作為地球的居民，我們大概無法體會出它的獨特性。但和太陽系其他行星比較，才發現以下都是只在地球出現，「獨一無二」的現象：

1. 地球有生命。
2. 地球大氣的含氧量占21％。其他行星上全無氧氣。
3. 只有地球的表面溫度在水的液態範圍。其他行星溫度都在範圍之外。例如地球的兩個近鄰——金星表面溫度是攝氏482度；而火星是負63度。
4. 有蔚藍的大海。其他行星，若非乾燥無比，就是太冷或太熱，不能成海。即使條件和地球最近似的金星，它炙熱濃厚的大氣裡（92大氣壓），連水蒸氣都沒有。
5. 雖已屆四十六億年的高齡，但地球內部仍然熱滾滾。其他行星（例如金星、水星、火星）及衛星（例如月球），幾十億年前就已冷卻，變成死寂的星球。
6. 地球表面有高聳的大陸地殼和深陷的海洋地殼。其他行星都沒有這種景觀。

為什麼地球如此奇特呢？這要從地球的起源談起。而要談地球，還是要回到它的本源——宇宙。

■混沌初開

一百五十億年前，當時宇宙所有的物質還擠在一起，是一個極度高熱、也異常緻密的團塊。後來它就炸開了，發生所謂的「大霹靂」（Big Bang）。一直到現在，這場爆炸仍未落幕，所有的星系都還以高速互相分離。從爆炸開始的那一剎那，另外一項重要的工作也在進行：從無到有，製造出宇宙最輕的兩個元素——氫和氦。

以上聽起來像神話一樣的故事，固然令人神往，但是，有什麼證據呢？為什麼是一百五十億年前？誰告訴我們星系都在飛離？就算星系真的在分開，怎麼分辨哪一個星系離你近？哪一個遠？更要緊的，那麼遙不可及的星雲，怎麼量它們和地球的距離？

要回答這些問題，得回到1826年。當時，德國天文學家奧伯斯（Heinrich Olbers, 1758-1840）提出一個很怪的問題：為什麼晚上天空是黑的？他的推理是，假如宇宙是無限大，就該有無限多顆星星，那麼晚上的天空應該被這無限個星星，照得亮如白晝。既然如此，晚上為什麼會天黑呢？

他的問題等到一百年後才得到解答。而且1929年，美國天文學家哈伯（Edwin Hubble, 1889-1953）發現了「紅移」（red shift），終於給過去許多百思不得其解的現象，找到了答案。請見第一章〈混沌初開〉。

■天工開物

大霹靂之後，宇宙只產生兩種元素：氫和氦。但是宇宙還有另外九十種更重的天然元素（從鋰到鈾）。這九十種元素又是怎麼產生的呢？用氫和氦，無論怎麼發生化學反應，都還是氫和氦。所以，如何可以把輕元素變重，不但有實質的誘因（中世紀的煉金術，不就是想「點石成金」嗎？），也是形成地球的先決條件。怎麼說呢？

地球不是由氫和氦組成的。以氫和氦為主的行星（例如地球外側的木星和土星），踩上去是一團氣，幾乎無落腳之地，也根本不能孕育複雜的生命。所以，要形成一顆地球這樣的行星，必須把宇宙的氫和氦，變成地球上最多的四大元素——氧、矽、鎂、鐵。有了這四種元素，才有辦法合成堅硬的地殼，為日後形成地球鋪路。這裡，很奇特的一件事，是氫和氦仍占整個宇宙質量的99％，其他的九十種元素，只共占1％。而地球又是這1％裡的太倉一粟。從氫和氦變成重元素的過程和證據，包括西元1054年，宋朝天文學家也目睹了這一場盛會，是第二章〈天工開物〉的主題。

■脫繭而出

如果有了九十二種元素，還是不成。因為地球這種所謂的「石質行星」，和「氣質行星」以及恆星（後兩者都幾乎全由氫和氦組成），是截然不同的。如果不把地球的矽、氧、鐵、鎂跟輕元素（氫、氦）分開，就成不了地球。所以，在邁向形成地球之路上，第三章〈脫繭而出〉介紹怎麼樣才可以把輕元素和重元素分開，以便讓行星誕生。

在這裡，使輕重元素互相分開的機制，原來是取決於元素化合物的汽化溫度不同。在太陽系中央，高溫下難以汽化、仍然是固體的化合物，因為比較重，就留在太陽附近，形成了地球等四顆石質行星；其他的元素及化合物（氫、氦、甲烷、氨）容易汽化，所以被太陽風吹到外圍，再聚集成氣質行星。

■洩露天機

聽以上「鬼斧神工」般過程的時候，不禁啟人疑竇。原因是這些億萬年前的往事，沒有證人。說得歷歷如繪的同時，有什麼證據呢？本書作者布羅克教授在第四章〈洩露天機〉，展現了他的拿手絕活——同位素的應用。

同位素，就是同一種元素（例如氧）的好幾個具不同質量的兄弟姊妹（氧16、氧17、氧18）。假如某同位素具放射性（易衰變成別的元素），它就會愈來愈少。藉著比較「放射性」及「非放射性」同位素的含量變化，就能夠知道過去地質事件發生的時間。

布羅克教授舉了一個例子，輔助說明如何用同位素來定年。某博物館裡，同時有一般遊客和美術系學生入場參觀。早上剛開館時，假設這兩種觀眾人數的比例是1：1。美術系學生對藝術品興趣高，停留較久（類似不易衰變的同位素），而一般遊客大約參觀半小時，就離開了（比擬放射性同位素，含量會減少）。所以隨著時間，美術系學生和一般遊客的人數比，就節節上升，可能達到4：1。若先算出它們比例改變的趨勢，就可以根據觀眾的比例，推測博物館從早上開館起，已經過了多少時間。

用類似上面同位素的方法，就洩露了元素和行星的重大天機：其一，太陽系在四十六億年前誕生，且所有的行星和隕石幾乎都在這同一時間形成；其二，早在太陽系生成之前幾十億年，所有太陽系的元素，已經準備妥當了。這意思是說，你我體內的主要元素（氧、氫、碳、氮、磷、硫）都老於五十億年，而且它們都在數千萬度的恆星裡誕生。這麼看來，我們的出身，多麼光彩，又多麼壯烈！

■分崩離析

把鏡頭再轉回剛才提到，包括地球在內的四顆石質行星。它們除了由氧、矽、鐵、鎂四大元素組成外，還有清楚的分層現象。鐵，多半以金屬態，存放在各行星的核心。地核外面包一層地函，再外層是薄薄的地殼，這些層的化學成分都不一樣。在行星演化歷史上，行星分層是一個重要的過程。更要緊的，是在此階段，地球從內部噴出了大氣和海洋。請見第五章〈分崩離析〉。

又再一次，一些疑問也考驗著科學家。例如，他們怎麼知道行星有分層？分幾層？每層多厚？況且，地底的岩石根本拿不到（地球半徑6,370公里，但最深的標本只有10餘公里深），怎麼知道地球內部的成分呢？再說，2,900公里以下的深度，據說都是融熔的鐵，誰會相信！這時候，科學家會很有信心地回答以上問題。他們的依據，竟然來自地震波和外太空的隕石。

在這第五章裡，地球的「大陸地殼」和「海洋地殼」之差異：一高一矮、一輕一重、一老一少、也得到了解釋。這是個關鍵點，因為其他行星及衛星上，都沒有這麼明顯的差異。原因歸根結柢，肇因於地球內部源源不絕的熱。在這裡，布羅克教授特別感念他的師兄，已過世的加斯特（Paul Gast）先生。加斯特首創使用化學元素的分異現象，來探討行星的演化。布羅克教授在美國惠頓學院（Wheaton College）唸大一的時候，讀大二的加斯特先生被任命當他的師兄。他陪布羅克註冊，還經常詢問這個小老弟功課的進度。等布羅克大三的時候，加斯特看出來他還懵懵懂懂，前途茫茫，於是毅然插手，替他規劃未來，引他走上同位素研究的路，也造就了日後布羅克這位卓越的地球化學家。加斯特的照片，見於第十一頁。

地球和其他石質行星內部都分層之後，是不是從此就一帆風順呢？當然不是。因為，太陽系除了太陽和九大行星外，還有很多其他物體。大衛星，有三十三顆；小行星帶上面的碎屑，有一百億個；更驚人的是彗星，這些拖著長尾巴的掃把星，竟有一兆顆！

■鬩牆之爭

太陽系這些物體之中，以月球離我們最近，而且三番兩次被踏上人類的足跡，所以我們對月球的知識最多。不料，在分析太空人從月球帶回的岩石標本時，竟有出人意料的結果。這項發現，就引出了一連串對月球成因的解釋。

簡單地說，月球和地球在成分上最大的不同，是月球含較少易揮發的元素。意思就是，月球經歷過比地球更高的溫度，所以把易揮發的元素都蒸發殆盡。不僅如此，無論是實際測量（把雷射光打到月球上，光線從太空人裝設在月球的鏡子反射回來，然後量光線來回所需時間，就可測出地球和月球的距離），或是量三億六千萬年前珊瑚的年輪，都發現月球以平均每年4公分的速率離開地球。為什麼月娘會拂袖而去？第六章〈鬩牆之爭〉有一個完整的交代。

承受月亮「負氣出走」打擊之餘，地球還遭受到其他同門兄弟無情的侵襲——彗星和來自小行星帶的隕石，過去不斷在撞擊地球。六千五百萬年前，推測有一個直徑僅數公里的隕石，撞到地球。頓時天昏地暗、日月無光，全球物種有一半慘遭絕滅。這件驚天動地的大事，天下文化出版的《大滅絕》（許靖華著）一書，已做了更詳盡的報導。

■風調雨順

地球經過上面一系列的演化，漸漸粗具規模。她出現了地殼、海洋和大氣。但是，放眼望去，就像前面一開始說過的，整個太陽系，沒有任何一顆行星像地球這麼舒適，又有如此適當的環境，能讓千萬種蟲魚鳥獸、奇花異果，在上面生生不息、爭奇鬥豔。為什麼老天獨厚於地球呢？

第七章〈風調雨順〉探究了這部分的背景及肇因，發現原來取決於地球一些先天的命運，和後天的奮鬥。在先天方面，地球占有若干便宜：她離太陽不很遠（否則會很冷，像火星及所有更外圍的行星，溫度都極低）；也不太近（容易烤焦，例如水星最靠近太陽，所以白天溫度高達攝氏425度）。其次，生物也幫了地球一個大忙。生物死亡後，把大氣的二氧化碳和碳移到地層裡，加以掩埋，成為石灰岩、石油和煤等，於是大幅降低大氣中二氧化碳的含量。二氧化碳是溫室效應氣體，它會升高大氣的溫度。和地球同樣大小的金星，因為沒有生物把大氣的二氧化碳移走，所以金星氣壓（92大氣壓）和氣溫（攝氏482度）都極驚人。

有關生物圈和地球演化的關係，讀者可參閱《蓋婭，大地之母》（天下文化出版）。

就後天環境而言，地球有一套秘密武器，那就是它獨有的「溫度調節器」。每當地表變熱，「溫度調節器」就啟動「冷氣機」，把溫度降低；相反的，地球一轉冷，「暖氣機」會自動打開，又把地表加溫。這套設備極其複雜，但說穿了，並不難懂。它之所以作用，是靠地函裡的熱對流，不斷翻攪地球。過程之中，從火山噴出二氧化碳（增加大氣溫度）；同時，二氧化碳被生物吸收，沈澱到海底（減低大氣溫度），再被拖入地函。這兩項交互作用，就調節了地表的溫度。

地表溫度還受一些外在因素的控制。例如木星和土星的比重雖小，但因為體積龐大，所以質量很大。它們用重力拉扯地球，週期性地改變地球的軌道形狀和自轉軸的角度，這些都會增減地表的日照量，改變地球氣候。過去它們對地球的干擾，的確影響了地球的氣候，而海底沈積的有孔蟲殼體，就是過去氣候改變的證據。分析有孔蟲的氧同位素成分，清楚地看見了地球從前有以四萬年和十萬年為週期的氣候變動。

■養精蓄銳

歷經長達四十六億年的演化，地球不但有了山有了水，大氣也因植物的光合作用產生很多氧氣。不過，人類等到最後這兩百萬年，才遲遲現身。但是，人類何其幸運，因為在人類降世很久很久以前，大自然好像預知人的來臨，已做好了萬全的準備。地球像一座化學工廠，她預先生產了許多很純的濃縮物。

有了這些濃縮物，工業文明才能迅速發展。濃縮物包括了石油和煤，它們取代了人力和獸力。例如，燃油的交通工具，大幅縮短了人與人間的距離（否則進京趕考，你要兩個月前就動身）；也在其他方面節省了許多時間（你可以忍受鑽木取火，花三小時用樹枝煮飯嗎？）。能源的使用，讓人擺脫了汗流浹背、灰頭土臉的日子，也豐富了人類的精神生活（坐在冷氣房裡聽CD），和提高了創造力（因為得閒）。較嚴重的，如果不是大自然富集了天然氣，馬上有十億人要餓死（甲烷是氮肥的原料之一，目前有十億人的農作物，依靠肥料生長）。

其他人類賴以為生的鐵、銅、金、硫、汞等，也無一不是地球預先加以濃縮，特別恩賜的禮物。如果不信，只要登陸其他任何一顆行星或衛星，你就馬上發現它們都沒有礦床，也沒有石油和煤。假如住在它們上面，我們的日子會很辛苦。不但完全要靠自己的勞力（沒有石油和煤提供能源），而且金屬在岩石裡的含量很低，要提煉金屬，需極高的成本。

地球是怎麼把這些物質濃縮的呢？第八章〈養精蓄銳〉告訴我們，是因為太陽能和地熱能，持續不斷在推動地球的岩石圈、生物圈、水圈和大氣圈，所造成的結果。人類現在正享用地球億萬年來，上述緩慢且持續的作用，所結出的果實。

■守成不易

假如能夠保持地球在太陽系獨一無二、祥和、融洽、穩定、和富足的環境，那該有多好！太陽有足夠的氫，可再燃燒幾十億年，提供源源不絕的太陽能；地球內部的放射性元素，半衰期很長，也至少還能再供應地熱能數十億年，來推動地球的板塊。合併以上兩種能源，地球就可以繼續生產石油和煤，以及各種有用的濃縮物。

但是很不幸，人的出現改變了地球的未來。直到一萬年前，人類仍和地球其他生物公平競爭，且和大自然和諧共存。後來人類發現了農業，使人類的競爭優勢遠超過了其他物種。為了增加農產，人類變更河道來灌溉農田，犁田整地且除去有害農地的雜草和昆蟲。人的這一切作為，正是破壞大自然循環的開始。

大約一百五十年前發生的工業革命，更加速人類對地球表面的改變。大氣中二氧化碳濃度持續增加，土壤逐漸酸化，環境中累積了更多有毒物質。尤有甚者，近年來我們懂得了原子的奧秘，我們擁有的核彈足以癱瘓人類的文明，和威脅許多生物的生存。

這些年來，我們不但沒有適當經營和管理地球的未來，反而沈迷於核武競賽、藉醫學技術來延長壽命、以及用機器設備來享樂。從羅馬時代以來，人類沒什麼改變：我們虛擲光陰，以為未來的問題會自行解決。不錯，船到橋頭自然直，未來的問題會自行解決，但解決的方式可不一定是我們所喜歡的。有感於此，第九章〈守成不易〉告訴我們人類所作所為的可怕後果，並呼籲大家應立刻擔負起保育地球的重責大任。

總的來說，這本書《開天闢地》（英文原名直譯為「如何建造一個適合居住的行星」）一氣呵成，把地球這顆獨特行星的來龍去脈，從一百五十億年前到現在，不只做了詳盡的解說，更列出推理的證據，讓人不僅「知其然」，還「知其所以然」。

作者布羅克教授是地球化學家出身，全書反覆指出「化學」在解讀宇宙及行星演化史上，扮演的重要角色。更驚訝的是，由於作者有系統的安排和介紹，在拜讀領悟之餘，最後不得不令人輕嘆：「原來大自然的道理如此深奧，卻又這麼簡單！」

另外，作者在書中留下了伏筆，也反覆在彈一些弦外之音。這本書的英文書名，是如何建造一個適合居住的「行星」，而不是如何建造一個適合居住的「地球」。因為他想強調，地球固然很獨特，但宇宙中可能共有一萬億億個行星。難道這麼多行星裡，都沒有一個有地球這麼舒適的環境嗎？如果有的話，那個行星也有像人這樣的生物嗎？即使產生另外一個地球的機率只有一萬億億分之一，我們就不會再孤單寂寞了。

1998年11月於中山大學海洋地質及化學研究所 

布羅克 作者
1931年生於芝加哥，27歲獲哥倫比亞大學博士學位後，在同校任教，並自1977年起迄今，榮任該校紐伯理（Newberry）講座教授。 華禮（Wally，大家都如此稱呼他）的研究興趣廣泛，包括古氣候學、海洋化學、同位素定年及環境化學。他卓爾不群，卻也風趣幽默。1980年，他在亞特蘭大參加美國地質學會年會，手上現金不足，無法繳費註冊。於是告訴年會經理，說自己是美國地球化學學會會長，要求同意延後付款。衣冠楚楚的經理上下一陣打量這位不修邊幅、穿牛仔褲和破爛襯衫的華禮，然後說：「先生，我認為你是騙子。有兩條路給你走——向你朋友借錢繳費；要不然請你捲鋪蓋回紐約。」1984年，華禮很巧被美國地質學會頒發代表最高榮譽的戴亞瑟勳章（Arthur Day Medal）。受獎時，他向觀眾透露上述四年前的遭遇，然後補充說：「各位，現在那個騙子正在這裡領獎，而真正的華禮目前仍在紐約。」 因為他在全球環境變遷、海洋循環、海洋及大氣的交換等方面貢獻卓越，布羅克教授得到許多榮譽，其中最高階的是美國國家科學勳章（National Medal of Science），和相當於地質界諾貝爾獎的烏拉斯坦勳章（Wollaston Medal），以及美國國家科學院院士榮銜。
袁彼得 譯者
成功大學地球科學系畢業後，分別自加拿大卡爾頓（Carleton）大學及美國路易士安納州立大學，取得地質學碩士及博士學位。研究專長為沈積學、地層學及板塊地質學，工作區域包括台灣、中國大陸、中美洲哥斯大黎加、巴拿馬、澳洲和南非。現任高雄中山大學海洋地質及化學研究所專任副教授，及成功大學兼任副教授。