20世纪地球物理学新时代的开创——读魏格纳《海陆的起源》

叶梦姝

20世纪地球物理学新时代的开创
——读魏格纳《海陆的起源》

叶梦姝

北京大学出版社，2006年

“珊瑚仅见于水温超过20℃的海洋中，蚯蚓不可能在冻土中生活，但能利用水温的两栖类，或者是淡水鱼类，以及自身能产生体温的哺乳类，就可能在寒冷的气候下生存。判断在什么气候下有什么动植物和动植物化石的事例多得不能一一列举。 ”

曾经在科学界引起轩然大波的“大陆漂移理论”，随着时间的推移，如今似乎已经成为了中学课本中确定无疑的常识。这个理论实在是太浅显易懂了，大西洋两岸海岸线的相似性肉眼可见，因此容易让人忽视了这个理论提出之时，为寻找充足证据所做出的辛苦努力。事实上，德国地质学家、气象学家魏格纳并不是这个理论的提出者，也非相关争论的终结者。魏格纳和他的著作《海陆的起源》之所以能够名垂科学史，是因为他汇总了19世纪以来包括地质学、地理学、气象学、海洋学和古生物学在内的所有研究进展，为20世纪的地球物理学呈现了一幅丰富又壮丽的研究图景。

一、 是圣经中的洪水冲开了大陆吗？

早在1596年，尼德兰地理学家奥特利乌斯就在刚刚绘制出的世界地图上发现了大西洋两岸南美洲和非洲海岸线的相似性。1620年培根也发现了这一现象，并认为这不太可能是一个偶然的巧合。到了1801年，洪堡等人进一步发现，大西洋两岸的海岸线吻合的地方其岩石种类都很相似。19世纪中期，意大利学者斯奈德·佩里格里尼根据欧洲和北美洲的煤层中植物化石的雷同，绘制出了石炭纪的古地理图，表明在煤层形成时期，欧洲和北美洲连接为统一的大陆。20世纪初期，美国的泰勒和贝克在研究世界山脉的分布时，几乎得出了大陆漂移的结论。但以上学者的发现，或停留在定性描述的阶段，或把这种现象当成是《圣经》中大洪水冲开了两边陆地的证据，地球海陆的演化并没有被当成一个独立的问题来进行研究。

二、神秘的气候带变化

魏格纳开始其关于海陆起源的研究其实出于偶然。25岁时，他获得了柏林洪堡大学天文学博士学位，并以气象学作为自己的研究方向，27岁时他被马堡大学授予了气象学教职，成为了一名深受学生欢迎的年轻教师，他编写的《大气热动力学》教科书是当时德国大学通用的气象学教材。出于偶然，魏格纳读到了一篇奥地利学者E.休斯写于1885年的文章，其中提到了被大西洋和印度洋分割的几个大陆，存在一些相同的动植物化石和相似的地层沉积序列。作为一位气象学学者，魏格纳敏锐地发现这篇文章中列举的一些反映古气候信息的沉积物的分布位置与现代全球气候带分布模式不符（图1）。海洋和陆地曾经发生过怎样的变化？大陆曾经是以怎样的方式联系在一起的呢？这个问题从此萦绕在他的脑海中，他开始了阅读、探险之路。

魏格纳大胆假设：中生代初期，现在地球上的所有大陆和岛屿是连接在一起的一个庞大的联合古陆，周围是泛大洋，从中生代开始，这个泛大陆逐渐分离、漂移、旋转，到达了现代的位置。

图 1 地球历史上中欧的纬度变化

三、追溯星球的历史

地球物理学是一个非常古老的知识领域，然而20世纪之前，学者们依然无法完全抛弃来自古代的神话和猜想，困惑于局地的经验和定性的观察，无论是海洋、陆地还是大气，几乎都没有系统的科学理论能够对基本现象进行解释。随着资本主义的全球生产与两次科技革命，人们对这个赖以生存的星球有了前所未有的了解，对地球的认识在19世纪中发生了巨变，地球不再是宇宙的中心、由上帝创造的生而完美的家园，而是一个经过几十亿年的蛮荒演变形成的普通行星，地球的一切——陆地、海洋、大气以及生灵万物——都是在上亿年的时间尺度上演化而来的。

四、寻找大陆漂移的证据

基于以上认识，魏格纳大胆假设：中生代初期，现在地球上的所有大陆和岛屿是连接在一起的一个庞大的联合古陆，周围是泛大洋，从中生代开始，这个泛大陆逐渐分离、漂移、旋转，到达了现代的位置，这就是《海陆的起源》一书的核心思想。为了证实这一假设，魏格纳首次从“地球物理学”的视角出发，综合了地质学、气候学、航海学和古生物学等各学科的研究成果。他从H.波托尼关于煤形成于热带沼泽的理论出发，从煤的分布推断出了赤道多雨带的移位，从岩盐和石膏的沉积层可以反映出干燥地带的移位，又从柯本关于气候与植被分布的研究中推断了沉积层中的古气候，提供了多个角度的证明。正如他的密友、天文学家冯特所说，魏格纳并不是天赋异禀的神童，对于数学、物理学等的研究并没有什么过人的天赋，但是他善于充分利用已有的知识，把每一件事情正确地组合起来，依照严谨的逻辑判断能力，得到最终的结论。

五、魏格纳的遗憾与遗产

“大陆漂移理论”远非完美无缺。例如魏格纳认为，大陆是由较轻的刚性硅铝质组成，它漂浮在较重的黏性硅镁层上，并认为是地球旋转的离心力使得大陆发生离极漂移。现在看来，这位大气热动力学教师的“大陆动力学”学说是错误的，这也是大陆漂移理论遭到了固定论者强烈反对的原因之一。20世纪60年代后，由于海洋科学和地球物理学的进展，大陆漂移理论才得以在新的动力学框架下复活。

18—19世纪，地球物理学只是物理学中一个不起眼的领域，20世纪初，这个古老的领域突然大放异彩：1914年古登堡发现了地幔与地核的分界面，1915年魏格纳提出大陆漂移理论，1919年挪威气象学家J.皮叶克尼斯提出了锋面气旋理论，从不同的视角开创了20世纪地球物理学的新时代。随后，固体地球物理学、地球动力学、地震学、大地测量学、地热学、地磁学 、水文学、海洋学、大气科学、地核构造学和勘探学等各个领域逐渐独立出来，自成体系，成果斐然。21世纪，随着科学研究的不断深入，地球物理学各领域的专家又重新意识到了陆地、海洋和大气是一个有机的整体：热带海洋是大气中重要的水汽和能量来源，地形地貌及植被的分布和气候有着极大的关联，广袤的海底深藏着众多地质学上的重大发现。此时重温魏格纳100年前的视野和角度，使我们有理由期待，未来地球物理学大家庭更多的合作，必将迎来更惊喜的科学发现。

（作者单位：中国气象局气象干部培训学院）