我们为何居住在距太阳第三远的岩石上？
看看太阳系的八颗行星，你很难从中看出某种家族相似性。然而，太阳系起源的故事表明，它们是由相同的原材料造出来的。
你还可能认为，这些天体毫无章法地分散在太阳系中。但如果移动今天太阳系的任何一个组成部分，或者尝试添加什么东西，整个结构将会轰然坍塌。
这种精致的结构究竟是怎么产生的呢？故事始于46亿年前，当时，银河的一湾静水中正在酝酿着某种东西。弥漫在所有星系之间的缥缈之物（氢气、氦气，以及少量尘埃）已经开始凝结。有一团云因无法抵抗自身的引力发生了坍缩。在随之产生的热和混乱中，一颗恒星诞生了，这就是我们的太阳。
生于一颗垂死的恒星
我们不知道是什么开启了这个过程。也许是冲击波——来自附近一颗恒星爆发时的死亡阵痛。但这并不是特别罕见的事件。大约80亿年前，银河系诞生，此后这类事件发生了无数次，至今仍在银河系中离我们很远的地方上演。
太阳形成的时候吞噬了云团中大约99.8%的物质。零星的残余被引力塑造成一个扁平的圆盘，环绕着这颗新生的恒星。这一原行星盘的尘埃颗粒在环绕太阳运行的同时相互碰撞，逐渐凝聚成越来越大的天体，即所谓的星子。
一旦直径扩展至约1公里，这些星子的引力就足以开始拖动周围的物质（包括其他星子），这个你拉我逃的过程最终导致行星的形成。
这个过程如何发展取决于星子与太阳的距离。圆盘最内侧的区域非常热，这意味着只有高熔点的金属和矿物才能以固态形式存在。因此，这一区域的星子只能生长到那么大，结果产生了内太阳系的四颗小岩质行星：水星、金星、地球和火星。
气体和冰
向外越过甲烷和水也以固态存在的“冰线”，这种限制就不存在了。行星在这里可以长得很大，足以开始聚集氢和其他气体的分子。木星和土星这两颗气态巨行星就是这样形成的。若是再向外一些，在更寒冷的地方，还有天王星和海王星这两颗冰巨星。
目前为止还很简单。但如果究其细节，这个模型就会变得非常模糊。没有人真的知道小石砾是如何凝聚成直径几千公里的星体的。这么小的物体会被周围的气体推来搡去，来不及粘在一起就盘旋着落入了太阳。也许是局部湍流形成了压力较低的旋涡，使岩石可以在其中聚集和凝固。
类似的问题也困扰着气态巨行星。我们可以用在其他行星系统中看到的“热木星”来说明这些行星被弹向太阳的危险。这些“热木星”的体积与我们的木星大致相同，但距离其环绕的恒星非常近，同地球和太阳间的距离差不多，或是更近一些。倘若早期太阳系发生过类似的事情，地球和其他内行星可能会被一并掷出。
太阳诞生数亿年之后，外太阳系似乎的确发生过一次剧变。模型表明，气态巨行星彼此距离更近了。然后发生了一些事情，使这种安排变得不再稳定，并把行星掷到现在的位置。但从那时起，组成太阳系的天体达成了一种宁静而微妙的平衡。
太阳系当然并不仅仅包含太阳和行星。火星与木星之间有一条被称为“小行星带”的碎石带。也许是受到木星的引力影响，这一圈原行星材料没能凝聚起来。这条小行星带主要由岩石组成，但的确包含四个相当大的天体，即谷神星、灶神星、智神星和健神星，它们的质量加起来占了这条小行星带总质量的大约一半。
很多卫星
太阳系也充满了卫星，到目前为止已有180多颗被命名。只有三颗在内太阳系：我们的月亮以及环绕火星的两颗。其余卫星则围绕着气态巨行星和冰巨星运转。人们认为，大多数卫星要么是吸积盘的残余，要么是被行星引力俘获的路过的小行星。土星和海王星的环也可能是生成太阳系的物质残余，其起源并不明确。
冰巨星以外是柯伊伯带，由大约10万个冰体（包括之前的行星冥王星及其卫星卡戎）组成的寒冷区域。这些天体也是太阳系形成过程中的遗留物。柯伊伯带非常大，从海王星轨道——距太阳30个天文单位，也就是30倍的日地距离——外侧延伸至距太阳50个天文单位。
但这仍然没有抵达太阳系的边缘。再往外是奥尔特云，这是一个主要由冰体构成的球形云团，延伸到距离太阳约两光年处。在这里，太阳的引力不再产生任何影响。奥尔特云从未被直接观察到，但一些天文学家推测，它所隐藏的东西，即我们尚未观察到的一颗冰巨星，将从根本上改变我们对太阳系的看法。
谁说太阳底下无新事！
什么在吃木星？
我们称木星和土星为气态巨行星，但大多数天文学家都认为它们有岩核。这些行星的形成方式与地球相同，然而，一旦它们的质量达到地球质量的大约10倍，其引力就会把气体拉进来，形成厚厚的大气层。
奇怪的是，一些研究表明，木星核的质量小于其应有的质量。这可能是因为它在熔解。木星的核承受着极高的温度和压力。在这些条件下，被认为是木星的核的关键成分的矿物氧化镁可能会溶入大气层。
其他世界的太阳系
月亮真的是行星吗？
太阳系有180多颗卫星，但我们的卫星独一无二。我们的卫星月亮也许不是最大的。与外太阳系的一些冰卫星不同，它没有希望庇护生命。比起它的一些竞争对手，它也许更冷，更寂静，更接近规则的球形。但说到起源，其他任何卫星都没有像它这样引人入胜的曲折故事。
虽然只是太阳系第五大卫星，比之土卫六、木卫一、木卫三和木卫四相形见绌，但月亮依然大得惊人。其直径超过地球直径的四分之一，相对于围绕运行的行星的大小，月亮差不多是太阳系中最大的卫星。
月亮的异常尺寸使其起源成了问题。这样一个天体不可能以跟其他卫星一样的方式形成。其他卫星要么是被俘获的小行星，要么是形成太阳系的由尘埃和气体组成的吸积盘的残余。
1879年，查尔斯·达尔文的天文学家儿子乔治·达尔文提出了一个解决方案。他认为，地球和月亮曾经是一个整体，因旋转太快而解体，并将自己的一部分掷入轨道。这块熔岩最终凝固成了月亮。
这个想法一度很受欢迎——曾有人提出太平洋是这一事件留下的疤痕——但在20世纪却不再受人青睐，因为数值上说不通。年轻的地球要想吐出一个月亮，就必须以不可能的速度旋转，大约每两小时就得转一圈。
大撞击
随着达尔文的想法不再受人青睐，另一个想法取代了它，这就是所谓的“大撞击”假说。它认为，太阳系开始形成之后大约5000万年，一个名为忒伊亚的火星大小的天体与地球相撞。忒伊亚斜着撞上地球，由于巨大的冲击而四分五裂，飞出的碎片最终结合成了月亮。
起初，大撞击比起别的解释并没有什么优势。它之所以被提出来，是因为其他解释都说不通。但随着天文学家们对早期太阳系的图景不断进行完善，情况发生了改变。我们现在知道，大撞击是行星形成的一个重要因素。
大撞击是目前接受度最高的解释，但也有自己的问题，这促使某些天文学家回到达尔文思想的一个修改版本。根据大撞击的说法，组成月亮的材料大半来自于忒伊亚，地球只贡献了少量材料。如果是这样，月球岩石和地球岩石在组成上应该有实质性的不同（除非由于某种巨大的巧合，忒伊亚和地球是由完全相同的材料构成的），然而对月亮岩石的分析并不支持这一点。
水月亮
事实上，组成月亮的氧、铬、钾和硅等元素同地球上的并没有什么差别。月球岩石也含有大量水。一次大撞击所产生的热量本应将这些水耗光。
研究结果表明，月亮曾是地球的一部分，由于某种原因被掷入太空，而没有被碰撞的行星污染。然而，为了避免困扰达尔文解决方案的那个问题，某处应当有巨大的能量输入。
一种极富戏剧性和猜测性的想法是，这种能量——相当于4亿亿颗广岛原子弹——来自于地球内部，通过一次巨大的核爆炸表现出来。
这并不像初看起来那样怪异。我们知道，地球内部曾经包含着自然聚集的铀，它们表现得就像核反应堆。其休眠的遗迹已在世界上许多地方被发现，尤其是在加蓬。
大约20亿年前，这些反应堆非常活跃，可能持续燃烧了数十万年，直到耗尽自己的铀供应为止。但它们的直径最多只有10米，不足以使地球裂开。
但某种类似的东西仍然可以解释月亮的起源。其基本想法是，像铀、钍和钚这样的放射性元素都集中在致密的岩石中，这些岩石在地球形成后不久沉入地下。它们聚积在外核和地幔的边界处，那里的地质力量将它们彼此拉近，形成一个巨大的核反应堆，最终超过了临界温度，发生爆炸，其威力足以将一块月亮大小的岩石掷入轨道。
中午的黑暗
如果你目睹过日全食，你就已经历了太阳系最令人惊讶的巧合之一。当月亮同太阳完美吻合时，虽然会完全遮住太阳，但日冕作为一个白热的光环依然可见。这一景象之所以会发生，是因为月亮和太阳在天空中的大小几乎完全相同（太阳直径实际上比月亮直径大400倍，但在与地球的距离上，太阳碰巧也比月亮远400倍）。
这似乎很有意义，但实际上却是一种巧合。月亮曾经距离地球近得多，目前正以每年3.78厘米左右的速度慢慢移开。所以，在遥远的过去和未来，日全食都不会给人留下如此深刻的印象。
一次较小的撞击？
还有其他方式可以回避大撞击的问题。比如，一个大小约为忒伊亚一半的天体全力撞上地球，然后深埋其中。计算机模拟表明，这会提供足够的能量将一大股熔化的物质掷入轨道，从而造就一个岩石组成与地球无差别的月亮。
另一种“小撞击”则设想有两颗大小约为地球一半的行星缓慢地发生碰撞，随后结合在一起形成了我们的地球，碰撞的残留物结合形成了月亮。
好消息是，即使核选项是正确的，也没有重复发生的危险。导致爆炸的放射性同位素现已衰变殆尽。等到下一次灾难性的撞击，我们可能就不会这么幸运了。
月亮有多大？
月亮的真实大小很难把握，但它非常大，其表面积超过了俄罗斯、加拿大和中国国土面积的总和。它是内太阳系最大的卫星，仅比土星和木星的几个大卫星稍小一些。
地球上为什么有陆地和海洋？
地球是太阳系中四颗岩石行星之一，其他三颗是火星、金星和水星。但在许多方面，地球都和它们不一样——这不仅仅是因为它庇护着生命。地球表面并不稳定，它通过缓慢但不可阻挡的板块构造过程不断自我调整。更不寻常的是，地球表面大约70%被水覆盖。
阿瑟·克拉克曾说：“把这颗显然是海洋星球的行星称为地球是多么不恰当啊。”为了理解地球不断变化的水表面是如何形成的，我们需要回到地球诞生之初。
一般认为，太阳系的时间零点是在45亿6700万年前。在那个时间点上，地球尚不存在；星子之间的剧烈碰撞正在使地球成形。到了45亿5000万年前，大约65%的地球已经凝聚在一起。这颗胚胎行星非常热，是一个完全由熔岩组成的“岩浆世界”。但据推测，此时它已经开始冷却，形成了岩石地壳。
然后又过了大约2000万年，婴儿地球在围绕太阳运转的轨道上逐渐凝固和稳定的进程被粗暴地打断了。一个火星大小的天体斜着撞上了这颗年轻的行星。碰撞产生的碎片被抛入地球的轨道，最终形成了月球。该行星的大气中充满了蒸发岩，凝聚成熔岩雨落下来，以大约每天1米的速度沉积成一片熔岩海。
地球遭到撞击
碰撞的能量也为再次熔化地球（也许直达地核）提供了足够的热量，重新创造出岩浆之海，抹去了这颗星球以前的地质记录。
然后，大约41亿年前，仿佛是雪上加霜，“后期重轰炸期”开始了。也许是被气巨星轨道的一次重新安排所触发，来自小行星带的陨石雨落在地球上，再次熔化了它的部分表面。这些灾难连同后来的板块构造和风化，使我们对地球最初的5亿年几乎没什么了解。由于当时的条件如地狱一般恶劣，这个时期被称为“冥古宙”。
在距今40亿年前的冥古宙末期，地球上出现了陆地、海洋、板块构造，或许还有生命。它与今天的地球不完全相像，比如大气就非常不同，但与因天体碰撞而形成的熔岩球有着天壤之别。它是如何形成的呢？
今天的地壳几乎完全由年龄不超过36亿年的岩石组成，冥古宙时期的环境痕迹在地面上极为稀少。留存至今的真正古老的岩石（大约占地壳的百万分之一）大都被不断熔化和压缩，已经变得面目全非。幸亏还有锆石这种微小的弹性晶体，使业已发生的事情有了一些眉目。
和山一样古老
锆石是地球上最古老的矿物，多见于澳大利亚西部的杰克山。它们由极为稳定的硅酸锆晶体组成，并含有高浓度的铀，因此我们可以根据剩余的放射性的强度计算出锆石的年龄。许多锆石的年龄都超过了40亿岁，这意味着它们是在冥古宙时期形成的。
锆石不能告诉我们，遭到撞击的地球再次冷却时究竟发生了什么，但其氧含量表明它们是在水中形成的，这说明地球上的海洋在40亿年前就处于适当的位置。这引出了许多新问题，尤其是水来自哪里，以及水为何没有径直蒸发掉。它还告诉我们，地球在冥古宙时期必定已经有了地壳，因为海洋需要依托于一个坚固的表面。
第一层地壳是玄武岩，这是一种目前仍在洋中脊形成的致密的黑色火山岩。玄武岩构成了大部分海底，并聚集成巨大的体积，从海洋中浮现，成为陆地——冰岛和夏威夷都是由从海底喷出的玄武岩聚集而成的。这个过程也发生在早期地球上。在第一个10亿年左右的时间里，地球表面由被火山岛链打断的海洋构成。
宇宙混合物
地球上很早就有了海洋，但海洋究竟是如何形成的却是一个谜。地球距离太阳很近，似乎不大可能保住从原行星的建筑材料中得来的水。
标准的解释是，海洋来自彗星和小行星等冰体所承载的水，于后期重轰炸期降临地球。但最近发往67P丘留莫夫-格拉西缅科彗星的罗塞塔号探测器对这种想法提出了一些质疑。这颗彗星上的水与地球上的水成分并不相同。
事实证明，其他彗星和小行星上的水与地球上的水差异很大。地球上的水似乎是来自整个太阳系中不同来源的混合物，是在40多亿年前一次赐予生命的撞击中到达地球的。下次你烧开水时想想这一点。
运动的世界
最早的大陆也是在这个时候开始形成的。它们由另一种被称为花岗岩的火山岩组成。这是一种在俯冲带形成的较轻的岩石，在那里，大洋板块相互滑动或者滑动到大陆板块下方。花岗岩的密度比玄武岩小得多，所以会浮在更加致密的岩石上。第一个真正的大陆地壳就是这样形成的。形成于40亿年前的一些大陆地壳碎片今天仍然存在。
花岗岩的存在告诉我们，此时构造板块必定已在动来动去，尽管完全不像今天地球表面那种全面（但极其缓慢）的搅动。
甚至有人提出，生命开始于冥古宙。最早的可信的化石来自34亿3000万年前，但41亿岁的锆石中的一些化学标记也许是生物体的遗迹。如果是这样，它们如何在冥古宙幸存下来便成了一个有待解决的新谜题。
锆石永存
大约40亿年前，这些微小而坚硬的晶体是极早期地球唯一幸存的原始碎片。它们表明，大陆和海洋的形成快得令人惊讶。
为什么天气总在变化？
如果随机在地球表面选一个位置，在那里站上一年，你会经历几乎每一种天气。例如，如果你选择伦敦的特拉法尔加广场，你大概会遇到10个暴雨天，50个寒冷的清晨，5个下雪天，15个雷雨天，一两场大风，1500小时的日照，以及数不胜数的阴天。
为什么在地球的同一个地方可以经历如此不同的天气？答案就在我们头顶，在包裹着地球的薄薄的大气层以及那个距离我们1.5亿公里的巨型热气球中。
来自太阳的天气
无论天气是热是冷，原因总是一样的：太阳发出的辐射撞上了一颗带有大气层的近乎球形的旋转的行星。由于这种简单的安排，大气层受热是不均匀的。在赤道，阳光直射到地球上；在两极，阳光则沿一个很大的倾角照射下来。因此，给出同样大小的区域，极地获得的阳光比赤道地区少。这就是两极冷而赤道热的原因。
由于这一差异，天气是流动的。热量自然地从较热的地方转移到较冷的地方，所以大气层和海洋将热量从赤道输送到两极。一颗没有温度差异的行星上不会有天气。
如果这就是全部，那么全球的天气模式会非常简单。热空气从赤道上升，然后向两极移动。在那里它会冷却、下降，然后沿地表回到赤道。于是，地表的风将从热带地区均匀地刮向两极。
但实际情况并非如此，原因很简单：地球在旋转。在这个旋转的球体上，地表及其上方的空气在赤道运动最快，在两极则完全不动。因此，地球的旋转使南北风偏向一边。这种偏向被称为科里奥利效应。
地球旋转产生的科里奥利效应很强，足以扰乱基本的南北气流，形成六个相互关联的地表风带，南北半球各三个：极地东风带、中纬西风带、低纬信风带。信风相遇的地方是一条不规则的气候带，被称为热带辐合带。
快乐的单调
极端天气能上头条，不列颠群岛的多变天气为其居民带来了谈资。但你有没有想过，地球上哪个地方的天气最温和，变化最少？美国《天气》杂志试图弄清楚这个问题。它指出，比尼亚德尔马（智利瓦尔帕莱索附近的一个沿海城镇）是气候最为单调的地方。此地白天气温终年在15至25摄氏度之间波动，通常有些阴天，下着蒙蒙细雨；很少有大风，从不结冰或下雪，偶尔会有雷暴打破这种单调。
科里奥利力还导致了远离地表的风。这些快速移动的东西风带被称为喷流。地球有四个喷流，南北半球各两个：一为极地喷流，一为亚热带喷流。
起主导作用的就是这一基本模式，但实际的风要更为复杂多变。这是因为地球并不是一个规则的球体，上面有海洋、山脉、森林和沙漠，所有这些都会影响空气的运动。
大团蓬松的云
除了风，天气的另一个基本要素是水，在我们的经验中表现为云和雨。
云的形成需要两种东西：空气中的水蒸气，以及使水蒸气上升的机制。通过地表水的蒸发和植物的蒸腾作用（从土壤中吸取水分并经由叶片释放出来），水蒸气进入空气中。上升机制可以通过三种方式来实现：第一种是暖气流上升；第二种是不同密度的空气团相遇形成锋，推动空气上升；第三种是空气被吹向山脉，被迫上升。
空气上升时会冷却和膨胀。冷到一定程度，水蒸气将无法保持气态。当气温达到这个露点温度时，水开始凝结，形成小水滴群——也就是云。如果小水滴变得足够大，就会从空中落下，形成雨、雨夹雪、雪或冰雹。
所有这一切都发生在大气层最下方7至20公里的区间，也就是我们所说的对流层。超过这个高度，由于臭氧吸收紫外线，空气突然开始变暖，这里是平流层的下界。这些因素足以解释我们经验到的所有天气，从风和日丽到狂风暴雨。
电闪雷鸣！
雷暴是最狂暴的天气之一。如果太阳足够热烈，上升的温暖气流会形成花椰菜状的积云，这种积云可以到达对流层顶部。上层区域达到凝结点之后会形成冰晶，冰晶之间相互碰撞，将电荷分离开来。当分离达到某个临界水平时，这些电荷将在一次闪电中重新聚在一起。云现在成了一场雷暴——尽管雷声本身产生的原因仍然不清楚。
世界上最猛烈的降雨总是由雷暴引起的。如果风的情况正好合适（或正好不合适，这取决于你怎么看了），雷暴还会引起自然界最猛烈的风暴——龙卷风。1999年5月，在俄克拉何马的一场龙卷风中，雷达测定的风速达到每小时486公里，这是有史以来最快的记录。
热带气旋（包括飓风和台风）是另一种极端天气系统。尽管不如龙卷风猛烈，但它极为庞大——直径达2000公里，能够产生10米以上的风暴潮，日降雨量超过1米。
热带气旋形成于海面温度超过27摄氏度的海洋上方，会造成海水大量蒸发。当这些水蒸气凝结时，潜热的释放会导致一场热带风暴。如果风暴在风力和科里奥利力的共同作用下开始旋转，就会形成地球上最具破坏性的天气系统。
随风流动
天气很难预测，但其背后的模式很简单：由大气旋涡组成的一个相互关联的系统将热量从热带地区转移到两极。
土壤来自何处？
土气无教养（common as muck）。像土一样廉价（dirt cheap）。弄脏了（soiled）。我们脚下的土很难让人感受到诗意。但如果细加端详，你会发现它是种美丽的东西。
土壤覆盖了地球的大部分表面。如果没有土，地球将是一个非常不同而且充满敌意的地方。
不同的土壤千差万别，但大体而言，它们都是混合物，固态物质和孔隙各占一半。固态物质主要是小石块和有机物（死的活的都有）。孔隙并不是空的，而是以不同比例充满了水和气体。然而，这张简单的成分清单尚不足以构成土壤。要想得到成品，还需要根据一份复杂而冗长的处方来炮制这些东西。
大多数土壤的起点是裸露的基岩。这些基岩因风化而受到侵蚀，产生了更小的碎片，积聚在表面。“风化”是一个贴切的词。当岩石受到风、雨、冰雹的袭击，又因为周期性的冰冻和融解而变得脆弱易碎时，就会发生风化。温度上升和下降时，热气流的膨胀和收缩也会产生类似的效果。
岩石还会被雨水中的化学物质所侵蚀，这些化学物质会溶解一些矿物。最后是生物风化。裸露的岩石起初被分泌腐蚀酸的细菌和其他微生物占据，接下来是地衣和藻类，它们对岩石的物理附着是强大的腐蚀因素。在夏威夷贫瘠土地上的实验表明，地衣至少能使风化加速100倍。
在成熟的土壤中，生物风化更为严重。无脊椎动物、真菌和细菌的呼吸产生了二氧化碳，积聚在土壤颗粒之间。渗入土壤的雨水溶解了二氧化碳，形成碳酸。土壤中的有机物还产生了其他酸性物质。土壤也有类似海绵的作用，在降雨之后延长了其下方岩石保持湿润的时间，这意味着化学风化可以持续更久。如此一来，土壤成了生成自身的催化剂。
最初的微生物殖民者还开启了土壤的有机化。地衣和藻类利用了这些微生物留下的东西，先用活的然后用死的有机物质逐渐覆盖了岩石。当有机物质积聚得足够多，蠕虫和节肢动物这类较大的生物就会搬进来。它们在挖掘洞穴的过程中将有机物质和矿物颗粒混合在一起，形成了孔隙空间。蠕虫分泌的黏液还能将这些东西粘在一起并固定下来。一块土壤就这样诞生了。
优雅地老去
随着土壤变厚和成熟，它可能会分化成几层，顶部是表层土，底部是下层土。一块成熟的土壤中充满了各种生命。1克土壤可能含有1亿个细菌和古细菌、1000万个病毒和1000个真菌，更不要说较大的有机物和植物根系了。单是细菌就可能有100万种。
毫不奇怪，这一切都需要时间。风化的过程费时费力，地衣生长极为缓慢。对近期夏威夷熔岩流的研究表明，至少需要一百年甚至一万年才能形成原始土壤。一百年前形成的熔岩流现在几乎仍然是不毛之地；甚至一万年前形成的那些熔岩流也只是刚刚形成某种类似土壤的东西。这表明，覆盖地球大部分面积的肥沃土壤需要千万年才能形成。非洲和澳大利亚的一些土壤可以追溯到1亿4400万年前的白垩纪时期。
20000种褐色
今天的土壤的多样性令人吃惊。基岩、气候、地形、当地生态系统和土壤年代都会影响其组成。就像对生命形态进行分类一样，我们借助于一个详尽的分类系统来把握土壤的多样性。例如，与物种分类相似，美国农业部把土壤分成目、亚目、大群、亚群、族和系。仅在美国，就有20000多种土壤被编目。
而土壤的出现比那还要早。已知最早的古土壤——化石土壤可以追溯到20亿年前，远在植物出现之前，当然更在植物占领陆地之前。这些土壤绝非原始贫瘠，而是肥厚丰腴。其中一些有一半体积是黏土矿物，后者是基岩大规模风化的最终产物。这是至少在数十万年间保持稳定的土壤的典型特征。
高地土壤
没有理由认为，古土壤的形成过程与现代土壤截然不同，尽管当时并无多细胞生物——植物、蠕虫和节肢动物——施展其魔力。或许连地衣也没有，有关它们的化石记录太稀少了，无法确知是否如此。最合理的情况是，土壤是在数十亿年前占领地表的耐寒细菌的作用下形成的。
与这个业已逝去的世界情形最接近的是犹他州峡谷地国家公园的沙漠高地。烈日当空，凉风吹拂，细菌、地衣和苔藓在岩石表面竭力生长，共同形成了所谓的隐花植物结皮。与这层结皮混杂在一起的是薄薄一层矿物和有机物的碎屑，换句话说，一种土壤。游客们只能走标记过的小路，以保护这层脆弱的土壤；一脚下去就可能踩碎结皮，使下方的土壤暴露出来遭到侵蚀。侵蚀一旦开始，就会灾难性地蔓延。
我们需要在全球范围内做好保护工作。根据联合国的说法，农业和建筑破坏了世界上超过三分之一的土壤，我们正以每分钟30个足球场的速度失去肥沃的表土。鉴于我们95%的食物是从土壤中生长出来的，土壤中包含的碳是整个大气层的三倍，其更新换代需要成千上万年，我们真的需要采取行动了。救救我们的土壤！
挖土
土壤其实不太像裸眼看到的样子，让我们把镜头移近，来一场土壤中的旅行。
为什么地球有如此非凡的大气？
做一次深呼吸，你刚刚吸入了大约2.6×1022个气体分子，主要是氮和氧。但如果你有机会站在早期地球的表面吸一口气，你将吸入极为不同的2.6×1022个分子，主要是二氧化碳和二氧化硫。（此后你也吸不了很多口了。）空气在很大程度上无法为我们的视觉和心灵所感知，但它的存在是一个奇迹，使地球区别于我们所知的其他星球。
从体积上说，今天地球的大气由大约78%的氮气、21%的氧气、1%的氩和不定量的水蒸气所组成。此外，还有少量二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳、甲烷、氦、氖、氪，和更少量的臭氧、过氧化氢、氙、氡、氮氧化物，以及氯氟烃这类人造的工业污染物。
这一组成迥异于大气刚刚形成时情形。很早以前，地球可能被地球形成时留下的一层稀薄的大气（主要是氢）所包裹。但这种“原初大气”没持续多久就被一阵阵太阳风扫入了太空。因此，在讨论今天的空气的起源时，我们可以将它排除在外。
地球很快就获得了第二种大气，从一个看起来不大可能的来源——它自身之中。火山排出了一些较重的气体，这些气体在地球引力的牵引下无法逸入太空。彗星和小行星的撞击可能也为大气增加了一些气体。因此，今天地球上的大气是从地球放的屁和太空打的嗝演化而来的。
这第二种大气很是稠密，令人窒息，主要由蒸气、二氧化碳和二氧化硫组成。我们知道这一点是因为它们是今天火山喷发出来的主要气体。火山极为活跃，大气压可能是其如今水平的十倍，这解释了为什么早期的海洋没有蒸发进入太空。
随着阳光将二氧化硫和水这类分子分解，氧开始缓慢积聚。但它仍是大气中一种不重要的成分，直到很久以后。
数十亿年来火山喷发出来的碳和二氧化硫混合物是如何演化成一种主要由氮和氧组成的大气的呢？答案有两个：第一，大量二氧化碳溶解在海洋中，最终沉积下来形成石灰石。第二，生命出现了，从根本上改变了大气的成分。
原始烟雾
起初，生命对大气的主要贡献是甲烷，这是原始单细胞有机物将能量从氢和二氧化碳中释放出来时产生的一种废物。大约在37亿年前，一场“甲烷危机”甫一开始就几乎毁灭了地球上的所有生命。排放甲烷的微生物使大气中充满了一种烟雾，几乎将太阳遮住。
下一个重大变化是发生在约23亿年前的大氧化事件。这场剧变在大约10亿年前就埋下了种子，当时，一些微生物进化出一种从阳光中获取能量的新方式，被称为光合作用。由此产生的废物之一是此前地球上很罕见的一种毒性很大、反应剧烈的气体——氧气。
最初进行光合作用的生物并未将这种有毒废物直接排入空气，而是将它安全地封存在铁化合物中。结果产生了被称为“条带状铁矿”的铁氧化物层，在世界各地约15亿到30亿岁的岩石中可以看到。
但随后进化出了能够忍受游离的氧气的光合生物。它们将有毒废物直接释放到空气中，而不再费力将其封存起来，这样做的一个附加好处是消灭了许多竞争者。氧气开始在大气中积聚，从大约1%上升到了10%或更多。
大氧化事件也被称为氧气大灾难，因为它几乎毒死了所有生命。好在一种被称为呼吸的利用氧气的方法被演化出来，使局面化险为夷。
大氧化事件还导致了另一场灾难。光合作用吸收了大气中的温室气体二氧化碳，并最终将其封存在沉积岩内。与此同时，氧气与威力更大的温室气体甲烷发生反应。这些因素共同使世界进入了被称为“雪球地球”的全球冰河时代，历时约4亿年，直到一次火山活动产生的巨大脉冲作用使大气重新充满温室气体。也许是由于光合作用几乎停止，雪球似乎又把氧气含量拉回到很低的水平。但随着冰的融化和生命的反弹，大氧化事件再次发生。
其他星球的空气
如果你想要一颗拥有大气的岩石星球，地球可谓尽善尽美。火星几乎没有大气——只有一点二氧化碳，气压不到地球上的百分之一。这在很大程度上是因为火星比地球小，它的引力不足以保有大气层。水星更小，也更缺少大气。而金星则走到了另一个极端：它被包裹在炽热而稠密的火山气体云和硫酸中，那里的气压几乎是地球上的100倍。但在金星表面70公里以上，大气十分温和——有着充足的阳光和水，同地球类似的气压和温度——也许正好适合生命。
生命的呼吸
不过，这也不全是坏消息。大约10亿年前，通过形成臭氧保护层，大氧化事件最终使这个星球变得宜居。随着这场大戏的展开，不活泼的氮气不断从火山中喷发出来，由于无所事事，无处可去，逐渐成为大气中占比最大的气体。到了大约6亿年前，大气组成已经与我们今天所熟知的大致相同。
受到生物、地质和化学过程复杂的相互作用的影响，大气的组成和密度会随时间而变化。例如，大约3亿年前，大气中的氧气含量达到30%的峰值，飞虫甚至能长到一米长。但在过去5亿年里，空气的成分基本上与我们现在呼吸的一样。
你的每一次呼吸
每一次呼吸大约包含2.6×1022个气体分子，其中大多数分子曾被吸入和呼出过数十亿次。
地球是如何充满石油的？
你下次乘坐轿车、公共汽车或火车旅行时，可以想一想：为你的旅行提供燃料的东西其实是成为化石的阳光，它们已经有数千万年甚至上亿年不见天日了。石油是现代文明的命脉，对于我们的繁荣和安全至关重要。人们一直为争夺石油而战，一旦石油被用光，人类将如何生存，对此我们并没有什么清晰的方案。我们每一天都要用掉近9000万桶这种东西，足以装满伦敦的5个O2体育馆。
浮游生物的力量
世界上绝大多数石油都始于漂浮在古老海洋上的浮游生物，它们通过光合作用静静地将阳光转化为有机分子，这一切真是宏伟非凡。浮游生物死后，其尸体沉到海底，那里氧气过于稀少，尸体无法分解。它们富含能量的遗骸积聚成一层厚厚的有机油泥，混杂着粉砂土、砂土和其他无机物，逐渐被一层层沉积物所掩埋。
过了数百万年，随着更多的沉积物堆积其上，油泥被埋得越来越深。一旦深度达到3千米，来自下面的热量和来自上面的压力就开始联手压迫有机分子，将它们分解成更为简单的烃链。最早的产物是一种被称为油母岩的蜡状固体。它被进一步分解或“裂解”，形成一种被称为石油的液态烃混合物，此外还有甲烷或天然气。有时温度过高，所有有机物都被分解成了甲烷。如果沉积物深度超过5千米，通常就会发生“烘烤过度”的情况。
但如果条件刚刚好，就会形成石油。最终产物的组成取决于初始材料及其受到的热和压力。低温石油厚而黑，像焦油；更高温度的石油薄而清，像汽油。颜色从黑色到棕色、绿色，甚至还有黄色。真正有价值的化合物——可以加工为燃料的煤油所占的比例从15%到60%不等。
这还不是故事的结局。石油很少淤积在地下水库中，而是常常和水一起，与岩石合为一体，我们必须将其分离出来。不仅如此，它只有在特定条件下才能形成可开采的油池。含有石油的岩石必须是多孔的，这样液体和气体才能穿过它向表面进发。含油岩上方还必须有一个储油圈闭——可能是一层致密、少孔的岩石或者是地质断层——以阻止石油渗到表面。盖岩的形状也必须正确，以便石油和天然气能在其下方积聚。然后，石油和天然气才会形成我们称之为油田的大型矿床。
矿井，矿井，矿井
幸运的是——也可能是不幸，这取决于你如何看待它——石油储量丰富，地球很大，可开采的石油和天然气矿床很常见。地球上已知的油田和气田大约有65000个，而地质学家们还在不断发现新的油气田。从这些矿井中开采出来的东西被称为原油，它是一系列产品的起点，从你加入油箱的汽油到现代世界所特有的塑料，不一而足。
确定石油的确切起源相当困难，因为石油常常在地下做远距离迁徙，无法根据它所处的岩石来确定其形成年代。但知道石油的形成年代可以帮助石油地质学家了解地下有什么东西，从而判断应当在何处集中开采。
一般是用不同生命时期所特有的生物标志物、有机化合物来确定石油的形成年代。例如，一种名为齐墩果烷的化合物只有开花植物才能产生，因此，含有这种化合物的石油的形成年代不会早于白垩纪（对于最终变成石油的有机物来说，花粉是一种虽小但并非无足轻重的东西）。
对生物标志物的分析表明，某些石油的形成年代的确极为久远，可以追溯到5亿4000万年前复杂生命演化出来之前。另一些石油则比较年轻，只有500万年左右的历史。一般认为，石油需要几百万年才能形成，但近来发现了一些很新的矿床，表明情况并非总是如此。加利福尼亚湾发现了仅有5000年历史的成熟石油，俄罗斯地质学家声称在堪察加半岛发现了只有50年历史的石油。
有些石油的起源可能是非生物，由地球形成时就已存在的碳或彗星带来的碳转化而成，但即便存在这样的石油，在我们的石油储量中所占的比例也可以忽略不计。
来自消失的大洋底部
如果说石油的形成有一个黄金时代，那很可能是侏罗纪时代，即距今约2亿年到1.45亿年之间。曾将冈瓦纳古陆和劳亚古陆隔开的特提斯海底部形成了大量石油。特提斯海最后由于大陆漂移而消失了，但还留有部分遗迹——地中海、黑海、里海和咸海都是特提斯海的一部分。但它遗留下来的最重要的东西是在大约六个中东国家地下发现的巨大能储，全世界石油供应的三分之二都来自那里。
侏罗纪时代还形成了北海石油。因此，驱动你汽车的能量有可能是一个2亿年前死去的浮游生物从阳光中提取的。
从油泥到石油
世界上第一口油井是1859年在宾夕法尼亚州泰特斯维尔附近的一个被称为油溪的地方钻探的，因为这里有含沥青的物质从地下汩汩冒出。居民们拿它当药用，但宾夕法尼亚岩油公司有更好的主意：他们打算发展一项全新的产业。
其产品是光。公司意识到，“岩油”含有煤油，而煤油是一种可用于油灯的极好的燃料。煤油很快就成了大买卖。
当时汽油是一种几乎无用的副产品，往往直接被扔掉。但是在世纪之交，托马斯·爱迪生的灯泡扼杀了煤油生意之际，石油商发现了新的有利可图的东西。亨利·福特开始制造作为现代生活典型特征的内燃机，汽油骤然获得了一个巨大的、不断扩张的市场。
文明的命脉
化石燃料使我们消耗的能量可以达到一名狩猎-采集者的100倍。换句话说，拥有这些燃料就相当于拥有100名奴隶。
