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第1章 自然科学与地理(1)

寻找石兽与流水侵蚀作用清代学者纪昀在《阅微草堂笔记》中记载,某土地庙前石兽因河岸崩塌掉入河中。十多年后重修山门,寻找石兽,它却不在原落水处,也不在下游。一位老兵说,应该在上游寻找,依他的话,果然捞出了石兽。石兽为什么会向上游“跑”呢?原因在于,石兽落水后对水流形成阻力,使周围水速更快,冲刷能力更强,其下面迎水流一侧的泥沙逐渐被水冲走,成为空穴。久之,石兽因重力作用朝着迎水流的方向倾倒,如此再三,便向上游移动了一截。可见老兵的判断是正确的,流水的侵蚀和搬运作用,使石兽能“逆水而行”。

冰海沉船

泰坦尼克号,在世界航海史上曾被骄傲地称为“永不沉没的巨轮”,该船船身相当于三幢半住宅大厦的长度,被欧美新闻界誉为“海上城市”。1912年4月15日凌晨,它载着2207名旅客和船员作处女航时,同一座漂浮的冰山发生了仅仅为时10秒钟的碰撞,便造成1513名旅客遇难的悲剧。这隆重的首航竟给它带来了葬身海底的厄运。

泰坦尼克号游轮于1912年4月10日从英国南安普敦起航开往纽约,登上这条船的富商大贾和英美两国的社会名流,都想在这条崭新的奇迹般的巨轮上逍遥自在地度过美妙的一周。甲板下面,低等客舱里乘坐的是数百名移民,他们要越过大西洋,到彼岸去开创新的生活。

最初几天平安地过去了,但是到了到第四天,报务员收到了航行在前方的船只发出的紧急电讯,电讯提醒他们冰山异乎寻常地向南漂浮,已经到了附近海域。4月14日是星期天,泰坦尼克号又收到了同样内容的紧急电讯,然而这些警告均未受到高傲的船员的重视,第一次收到的警报被丢到一边,几个小时没有向船长报告,后来的两次干脆没有送交到指挥室。黄昏刚过,气温便开始骤然下降,尽管冰山临近的迹象已经十分明显,泰坦尼克号却既没有改变航线也没有降低航行速度。

夜幕降临之后,爱德华·史密斯船长布置了警戒冰山的瞭望哨。23点40分眺望台上的人最先发现了冰山,值班军官下令向右弦急转弯。可是一切都太迟了,冰山已经将船弦外壁撞开了一条100米长的裂口。大多数旅客只是感觉到了轻微的震动,几乎没有引起任何人的注意,但是随船的工程师们经过察看后认定:该船已经无法挽救了。他们认为,如果船上的16个防水舱只有4个进水的话,船还可以浮在水上,但不幸的是有5个底舱的外壁被冰山撕裂了。三等舱里的旅客大都起了床,因为海水已将他们房间里的地板淹没。报务员用莫尔斯电码发出了最新规定的SOS呼救信号,在海难中使用这种信号还是第一次。午夜12点零5分,按照船长的命令救生艇开始下水。

旅客们并不清楚,在所有的救生艇上总共只有1178个座位,只能接纳旅客总数的一半,但是按当时的法律规定,这种救生条件已经算相当充分了。起初,旅客当中并没有发生恐慌,他们根本不相信会有什么危险,因为泰坦尼克号是“永远不会沉没的”,直到船体出现了危险的倾斜,他们才失去了先前的镇定。妇女和儿童首先离船。头等舱里的乘客优先登上了救生艇,在他们当中只有4名妇女在这次海难中丧生。在二等舱和三等舱里的272名妇女当中幸存下来的只有96人。有一段时间,三等舱通向甲板的门甚至都被锁住了,以防下面的乘客涌到甲板上来。在越来越倾斜的甲板上,乐队不停地演奏着拉格泰乐曲。

凌晨2点40分,泰坦尼克号几乎在水中直立起来,然后便头朝下沉入了3000米深的大西洋中。那些留在黑暗舱房里的移民们和泰坦尼克号一起葬身于海底,甲板上的人全被抛入了冰冷的海水,成了这条著名的冰海沉船的随葬品。

造成这条豪华巨轮沉没的冰山,其实不是什么神秘的东西,它是漂浮在极地海域的巨大冰块。每年春夏时节,因气温升高极地海洋冰块破裂而生成,在向温带、热带漂移时,逐渐消失。它们体积相差极大,大的冰山可达几公里长,这样的庞然大物,是海上行船的巨大威胁。

泰坦尼克号被撞沉,说明了自然界的力量是巨大的,人类切不可盲目自大,一定要对各种自然现象予以足够的重视,不然就避免不了悲剧的发生。

打赌环游地球

斐利亚·福克是一位英国绅士,他是改良俱乐部的会员。一天,福克先生说现在能够80天环游地球一周,俱乐部的其他会员说不可能,因为在当时情况下,要想80天环游地球,必须极准确地一下火车就上船,一下船马上又上火车才行,且路上不能出任何意外。因为这80天不包括坏天气、顶头风、海船出事、火车出轨等意想不到的事情。但是福克先生还是立了一张打赌字据,6位当事人在上面签了字。最后福克先生说:“今天是1872年10月2日,星期三。我应该在12月21号,星期六,晚上8点45分回到伦敦。诸位先生,我就要动身了。等我回来时,你们可以根据我护照上的各地签证印鉴,来查对我这次的旅行路线。”就这样,福克先生从伦敦出发,向东经过欧洲、非洲、亚洲、美洲四大洲,以坚定的意志克服了无数的自然和人为的障碍,终于在1872年12月21号晚8点50分回到伦敦,很遗憾比预定的时间晚了5分钟,于是他悄悄的回到了家。

第二天晚上,福克先生让他的忠实的仆人路路通去请神甫明日来主持他与艾娥达夫人的婚礼。但神甫说明天是星期日不主持婚礼。路路通证实神甫没有说错后,以最快的速度回到住宅,一把抓住他主人的衣领,像发疯似地拖着福克先生,跳上一辆马车……当他们在俱乐部大厅里露面的时候,大钟正指着8点45分,一分不差……他赢了。

那么,是精明的福克先生计算错日期了吗?不是的,是福克先生在他的旅程中“不自觉地”占了24小时的便宜。这是因为他这次旅行的方向是一直向东走,在向东走的路上一直是迎着太阳升起的方向前进。所以每当他这样走过一度经线,他就会提前4分钟看见日出,整个地球一共分作360度,用4分钟乘360再用60分除,结果正好等于24小时,这就是他不知不觉赚来一天的原因。

如果当时有日界线,福克先生是自西向东越过日界线,在日期上要减去一天,也就不会出现前面那惊险的场面了。事实上福克先生是提前一天到达伦敦的。

“丢失”的一天

1519年9月12日,西班牙航海家麦哲伦率领的船队,在礼炮声和欢呼声中,离开了圣路卡尔港,向西开航,人类历史上的环球旅行就这样开始了。

船队绕过美洲南部进入太平洋,船员们与风浪搏斗,机警地避开暗礁险滩,向西挺进。

在这次远航中,有一只船中途溜走,三只船葬身海底,麦哲伦本人在1521年4月27日的一次战斗中牺牲,剩下惟一的小船维多利亚号,在埃里·卡诺的指挥下,依然顽强地向西挺进,经过3年的艰苦奋斗,他们克服了难以想像的困难,终于绕过非洲,胜利到达佛德角群岛,这时船员们异常兴奋,因为用不了多久,他们就要回到西班牙了,埃里·卡诺拿出航海日记,在上面写道:“1522年7月9日抵达佛德角群岛”。正在这时,岸上意外地发生了一场争吵,船员们和岛上居民交谈时说出了今天是星期四,结果岛上的居民们纠正说:“不,今天是星期五。”船员们感到奇怪,异口同声地对岛上的居民们说“要知道,今天是9日。”“不,今天是10日!”居民们更是斩钉截铁的一口咬定。

这件事被神甫们知道了,他们大发脾气,责备水手们在宗教上犯下了一个不可饶恕的罪过,因为记错了日子,他们在海上一定把宗教的节日都过错了,应该吃斋的日子都吃了肉,这点对于虔诚的教徒来说,简直是不可饶恕的。

然而,船员们并不认错,他们赌咒发誓说:“日子没有记错。”

埃里·卡诺把航海日记摊开来看,的确每天都记了日记,没有错过一天,那么,这一天之差是怎样造成的呢?

原来这一天之差包含着他们并不知晓的科学原理。因为地球是自西向东自转的,它的这种有规律的自转,造成地球上任何一个地点每天24小时的时间循环,这种循环只适用于相对于地球不动或小范围运动的对象,而对那些在地球纬线方向作长距离运动的人来说,一天不再是24小时,即稍长于或稍短于24小时,航海家们自西向东航行,地球亦不停地自西向东旋转,他们好像一直在追逐着下沉的太阳。因此,夜晚总是比白天迟一点来临,这就等于延长了船上的白昼时间。如果逆着地球自转的方向航行,航船上的白昼时间就相应的短些。据计算,在维多利亚号船上每天要比24小时长两分钟左右,这两分钟与24小时相比微不足道,况且当时又无准确的计时仪器,一般人都觉察不出来。然而他们在船上航行了三年多,这数以千计的两分钟的积累足以凑成一天,于是船员们就不知不觉地将这一天丢失了。

为使长途航行的人不把日子搞错,掌握了近代科学知识的专家们,在地球上划了一道“时间起跑线”,用以区别今天和昨天,这就是“国际日期变更线”。它被有意地选在人烟稀少的180°经线附近,处于亚美两大洲之间。它从北极开始,经过白令海峡,穿过太平洋,直到南极为止。为了避开一些岛屿,它有些弯曲,一般地图上都标有国际日期变更线,当轮船或飞机越过这条线时,就需要严守以下规定:从西向东穿越这条线,要把同一天计算两次。如某月5日自西向东越过这条线,第二天还是5日,要是从东向西跨越这条线,就要把日子跳过一天。即从当天的日历上再撕去一张。16世纪的维多利亚号轮船的船员们,由于不懂其中的科学道理才与岛上的人们发生了那场无端的争吵。

海底的宝贝“疙瘩”19世纪后期,一艘名为“挑战者”号的英国海洋调查船漂浮在海面上进行科学考察活动。在海底打捞过程中捞上来一些外形像黑土的硬疙瘩,由于以前没有见过,所以他们去问船长,而船长认为这只不过是一些平常的海底物质,没有引起足够的重视。船员们就把这些貌不惊人的黑疙瘩带回到陆地上搁在了一边,时间一长就渐渐地淡忘了,使这些黑疙瘩睡了好些年的大觉。

几十年过去了,科学家对海洋矿藏进行研究时,想起了这些来自海底世界的“怪客”,于是就对它们进行了科学分析。结果出来了,简直让科学家都难以相信:这些不起眼的黑疙瘩里面竟含有20多种金属元素,并且含量之大超过了陆地上的同类矿石,真是无价之宝啊!

原来它叫锰结核,是埋藏于大洋底部富含铁、锰等金属元素的黑色矿石。常呈球状、椭球状、板状、葡萄状,一般大于1厘米,常见的在5~10厘米之间。锰结核中除含有30%~40%的锰和铁外,还富含铜、镍、钴、铅、钛、镁、铝等20多种元素,并且分布很广,在全球各大洋洋底到处都是,主要富集于地形起伏较大,沉积速度缓慢的地区,其化学成分随海底地形、沉积环境、构造要素不同而有差异。

后来科学家们又通过广泛调查证实:全球大洋底部的锰结核总储量可达30亿吨,仅太平洋底就有17亿吨。据初步推测:全球的锰结核里面所蕴藏的锰可供人类使用2400年,铜可用600年,因而就成为目前仅次于海底石油的重要海底矿产资源。更让人难以置信的是,锰结核的数量每年都在增长,仅太平洋底的锰结核,每年就可以增长1000万吨。这无疑是令人类振奋的一个好消息,因为锰结核的增长速度比目前人类消耗金属的速度要快。

20世纪60年代,许多发达国家如美、日、德开始对海底锰结核进行大规模的调查,并确定了几个远景区进行了开采。我国近些年在这方面也做出了出色的成果:在北太平洋夏威夷群岛东南海域10万多平方公里范围内,经过大规模勘测,确认为富矿区域,按联合国规定,我国将永久拥有其中7.5万平方公里海域的海底主权。

随着人类对海洋认识的逐步加深,以及人类对矿产资源利用的设备和工艺技术的不断提高与完善,那些沉睡在海底的巨大宝藏终将会为人类服务,海底的“宝贝疙瘩”——锰结核,将会成为人类重要的矿产资源。

两小儿辩日

故事发生在2000多年前的鲁国。一天,孔子在路上碰到两个孩子正争得面红耳赤。孔子上前问他们说:“你们为什么事争得不可开交呀?”

两个孩子争先恐后地告诉孔子,他们正在争论早晨和中午的太阳哪一个离我们近。

一个孩子说:“我认为早晨太阳出来时离人近,中午的时候离人远。因为早晨的太阳看起来有车盖那么大,中午的太阳看起来只有菜盘子那么小。这不就说明早晨的太阳离我们近才显得大,中午的太阳离我们远才显得小吗?”

孔子听了觉得有道理。但还没等他点头称是,另一个孩子马上反驳说:“早晨太阳出来时,到处凉气袭人,中午却热得像站在沸水边一样难受,这不是因为早晨太阳离我们远才觉得凉,中午太阳离我们近才觉得热吗?”

孔子一听也觉得有道理。可这样一来他就无法断定两个孩子谁说的真有道理了。

两个孩子看到孔子似是而非的样子,急得直跺脚,一个拉着孔子一只手说:“孔大人,您可得给我们评个准理,看到底谁说得对呀!”

两个小孩子给满腹经纶的孔子出了个难题,大学问家无可奈何地摇摇头,老老实实地承认自己搞不清谁是谁非。

两个小孩十分失望,望着孔子远去的背影取笑说:“还说他学问大得很呢!原来也不过如此而已!”

2000多年前的儿童,从他们的生活体验中能悟出物体近则大远则小;同一热源近则热远则凉的道理,并且以此来判断太阳的远近,这是难能可贵的。但受当时科学认识水平的制约,不能准确认识地球之外的许多天文现象是不足为怪的。孔圣人也非先知先觉,他的学问也受当时历史条件的限制,我们同样不能苛求他。

现在我们知道日地距离在一天内的变化是微不足道的。早晨太阳离我们稍远一点,中午稍近一些,两者相差约等于地球半径,仅相当于日地距离的1/2300,这对观察太阳的大小和太阳辐射到地球的热能都不起多大影响。

早晨的太阳看起来大一些,中午的太阳小一些,实际上是一种视觉误差。因为,早晨太阳刚从地平线上升起来时,有山峰、树木等地面物体作对比,太阳就显得大一些;而中午的太阳高悬在空旷的天空,相形之下就显得小一些。实际上用仪器测太阳的视直径,若不考虑地平线上大气折射的影响,早晚都是一样的。

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