歷史 物理

冰雪埋英魂:提出大陸漂移說的韋格納

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撰文者:高崇文
發文日期:2021-04-12
點閱次數:371


  • 在臺灣大家對地震都不陌生。許多相關的術語也琅琅上口。最常聽到的就像是台灣位於兩個板塊的交界上。東南方有菲律賓海板塊,西北方則是歐亞板塊,這類的老生常談,大家想必聽到耳朵都長繭了。可是板塊是什麼? 科學家何時又是如何發現地表上的板塊?板塊又是如何移動?這些都是地球物理的大哉問呀。而大陸漂移學說正是催生板塊理論的一個重要契機。上個世紀初提出這個乍聽之下有點異想天開的卻是一位嚴謹的德國氣象學的學者,他的人生也非比尋常,屢次到冰天雪地的無人之境探險,最後卻不幸遇難,就讓阿文來為您來介紹這位科學界的奇人吧。


    阿爾弗雷德·羅塔·韋格納(Alfred Lothar Wegener)在1880年11月1日出生於柏林,韋格納家是牧師世家,阿爾弗雷德是五個孩子中的老么。他的父親理察·韋格納是一個神學家,並在享有盛名的柏林文科中學(Berlinisches Gymnasium zum Grauen Kloster)擔任古典語言的教師。當時的習慣,德國的大學生通常會在幾所大學間來來去去,韋格納也不例外,他優遊於柏林大學、海德堡大學與因斯布魯克大學,研讀物理,天文以及氣象學等科目。最後韋格納在柏林洪堡大學拿到博士學位,指導教授是當時Astronomisches Rechen-Institut in Berlin的主任天文學家Julius Bauschinger。他的博士論文是<阿方索星曆表的現代運用>。(阿方索星表是卡斯提爾國王阿方索十世的贊助下完成的星表,曾是歐洲最受歡迎的天文星表,使用的托勒密系統來計算。) 韋格納的論文主題的基本起源是Zedler在1901年發現了一個古老的“天文日曆”(AK),而Bauschinger將此AK追溯到1448年。 他們將AK中給出的數據與韋格納轉換後的阿方索星表(Alfonsine Table(AT)以及現代星曆表中得出的數據進行了比較。 他發現,如果考慮到AK中行星的黃道經度的微小恆定變化,則AK中的數據與從AT得出的數據基本吻合。這種變化可能是由於對春分點的不同定義。聽起來不是令人熱血沸騰,但肯定費時費工的題目呀。

     
    Alfred_Wegener_ca.1924-30
    由 Template:E.Kuhlbrodt - Bildarchiv Foto Marburg Aufnahme-Nr. 426.294, 公有領域, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18166661



    拿到博士學位以後的韋格納並沒有繼續埋首書堆,1905年他成為林登堡航空氣象台助理。韋格納與比他年長2歲他的哥哥庫爾特 (Kurt Wegener, 1878-1964) 對於氣象及極地研究有著同樣強烈的興趣。他們率先使用氣象探測氣球來追蹤大氣現象,此外他們也在氣球上試驗天文定向的新型象限儀。韋格納兄弟在1906年4月5日至7日間創下氣球連續飛行的新紀錄,在空中停留長達52.5小時。熱氣球是當時重要的科學工具,1912年奧地利科學家維克托·赫斯 (Victor Hess,1883-1964)甚至還搭熱氣球探測宇宙射線呢!


     
    除了搭乘熱氣球外,韋格納在1906年首次參加格陵蘭島探險。率領這次探險隊的是丹麥探險家路德維希·米留斯-埃里克森(Ludvig Mylius-Erichsen 1872-1907),目標是格陵蘭島上東北海岸最後一個尚未有人去過的地區。對天性熱愛冒險的韋格納來說這應該是難以拒絕的一項挑戰吧。當時極地探險方興未艾,特別當時正當民族主義的熱潮,每個國家為了誰能登上北極、南極等地個個磨拳擦掌,躍躍欲試。



    當時南北極都還沒有人到過,1909年美國探險家皮爾里才到達北極點,1911年底,挪威探險家阿蒙森登上南極點。極地探險也是非常危險的任務,最有名的莫過於全軍覆沒,全員死在南極的英國史考特探險隊。韋格納在這次遠征期間於格陵蘭島附近的丹麥港(Danmarkshavn)建造了第一個氣象觀測站,他使用風箏和氣球進行觀測北極氣候。這次旅程也發生不幸,探險隊的隊長和他的兩個同事在遠征期間因精疲力盡而不幸喪命,其他隊員則平安歸來。從格陵蘭回來之後,韋格納於1908年在德國馬堡大學擔任氣象學,天文學和宇宙物理學的講師。他主要研究領域是大氣熱力學和古氣象學。他的講課清晰明白而大受歡迎,他的授課內容後來在1910年以”大氣層的熱力學(Thermodynamik der Atmosphäre)”之名出版,成為氣象學的標準教科書。


     
    Wegener_Expedition-1930_026

    由 Loewe, Fritz; Georgi, Johannes; Sorge, Ernst; Wegener, Alfred Lothar - Archive of Alfred Wegener Institute, 公有領域, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4524652



    韋格納在這段時期開始注意到非洲大陸西岸和南美洲東岸的海岸線很相似,因此推測大陸原本是相連的。更進一步他還發現南極、澳大利亞、印度和馬達加斯加的輪廓也能緊靠南部非洲。他分析了大西洋兩岸的岩石類型,地質結構和化石。 尤其是在植物化石,發現了令人吃驚的類似。因此他推測這些大陸原本是相連的,後來卻逐漸分離。雖然在他之前也有人曾有相似的想法,(像是奧地利的地質學家Eduard Suess 就曾提出了在南半球曾經存在過一個統一的大陸的假設,他稱這個大陸為岡瓦那大陸。1893年,他根據阿爾卑斯山脈與非洲的化石紀錄,又提出在勞亞大陸與岡瓦納大陸之間,曾有個淺內海存在,他命名為特提斯洋。)



    韋格納提出完整理論,也是正式使用”大陸漂移”(die Verschiebung der Kontinente") 的第一人。1912年1月6日,他在法蘭克福的Senckenberg 博物館召開的德國地質學會中正式提出了“大陸漂移”學說。(阿文當年在法蘭克福工作時天天從這個博物館前走過,卻從沒動過念頭進去瞧瞧呢!)


     
    Snider-Pellegrini_Wegener_fossil_map
    由 jmwatsonusgs.gov - United States Geological Survey (USGS) - http://pubs.usgs.gov/gip/dynamic/continents.htmlen:Image:Snider-Pellegrini_Wegener_fossil_map.gif - Original upload 19:49, 13 April 2005 by en:User:SEWilco, 公有領域, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1075951


    韋格納主張地殼的矽鋁層是漂浮於矽鎂層之上的,相比矽鋁層,矽鎂層密度更大(2800 到 3300 kg/m3)。他還設想全世界的大陸在古生代石炭紀以前是一個統一的(盤古大陸),它的周圍圍繞遼闊的海洋。後來,特別是中生代末期,盤古大陸在天體引潮力和地球自轉所產生的離心力的作用下,破裂成若干塊,在矽鎂層上分離漂移,逐漸形成了今日世界上大洲和大洋的分布情況。韋格納還推測了海底擴散和中海脊的作用,並指出“中大西洋海脊...區域,由於不斷擴散,大西洋的底面一直在不斷地撕開並騰出空間但是,他在後來的作品中並沒有繼續發展這些想法。大陸漂移說雖然有它吸引人的地方,無疑地也有當時許多難以解釋某些重大的問題,如大陸移動的原動力是從哪來的、深源地震與造山構造如何能與大陸漂移現象共存等。而韋格納當時估計大陸分離的相對速度是每年250公分(真實的值約2.5公分)也讓許多學者搖頭。


    但是在解決這些問題之前,韋格納又出發前去格陵蘭了!他在1912年再次加入格陵蘭探險隊。這次的領隊是參加過上一次探險的丹麥探險家約翰·科赫 (Johan Peter Koch  1870 – 1928)。這一次在前往格陵蘭前,曾在冰島短暫停留,購買冰島馬來當作為馱獸,探險隊後來抵達丹麥港。展開内陸探險之前,探險隊遇到冰川崩裂差點全軍覆沒。丹麥探險隊隊長約翰·科赫後來在冰川的冰裂縫跌倒,摔斷了腿,花了幾個月才康復。韋格納和科赫只好在格陵蘭島東北部的內陸冰蓋度過冬天。他們在小屋內用螺旋鑽鑽至25 m的深度,躲到地表下。等到1913年夏天,該小組越過內陸冰層,努力掙扎地在艱難的冰川破裂地形中找尋出路。但是最後一刻,在距離西格陵蘭定居點Kangersuatsiaq只有幾公里的地方,在吃完最後的小馬和狗之後,陷入絕境。幸虧他們被Upernavik巧遇到正要拜訪偏遠會眾的神職人員而獲救。真是千鈞一髮!大難不死的韋格納在1913年回到德國後,與他的老師,海軍氣象台的海洋氣象部門主任弗拉迪米爾·彼得·柯本 (Wladimir Peter Köppen, 1846-1940) 的女兒結婚。他繼續留在馬堡教書,兩個女兒也在這段時期相續誕生。廣為使用的柯本氣候分類法就是韋格納的岳父發明的。


    第一次世界大戰爆發後,韋格納被徵召入伍,擔任步兵軍官。他在比利時前線,經歷了激烈的戰鬥。他兩次受傷,被軍方認為不適合為繼續服役,隨後被分配到氣象服務隊。這項任務讓他在西線與北海的氣象站之間不斷奔波,但是他還是抽空完成並在1915年出版《陸與海的起源》(Die Entstehung der Kontinente und Ozeane ) 一書。直到戰爭結束前,他持續發表了二十多篇氣象學與地球物理方面的論文。
    Wegener_Expedition-1930_008
    1912年至1913年間的阿爾弗雷德·韋格納
    由 Loewe, Fritz; Georgi, Johannes; Sorge, Ernst; Wegener, Alfred Lothar - Archive of Alfred Wegener Institute, 公有領域, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4524610
     


    戰爭結束後韋格納在德國海軍天文台找到工作,因此與他的妻子和兩個女兒搬到了漢堡。1921年,他被任命為漢堡大學新的高級講師。從1919年到1923年,韋格納與米盧汀·米蘭科維奇(Milutin Milanković)緊密合作,在重建過去時代的氣候(現在稱為“古氣候學”)方面進行了開創性工作,韋格納和岳父柯本於1924年出版了《地質歷史的氣候》(Die Klimate der geologischen Vorzeit)。


    1922年韋格納的《陸與海的起源》第三版付印,在這一版中他提出了大量非常強有力的證據來支持大陸漂移,但是在那個年代,他提出的機制不能說服當時大部分的地球物理學家和地質學家。雖然該假說普遍受到科學家懷疑。但還是吸引了一些支持者,例如南非的地質學家亞歷山大·杜托伊特和英國的阿瑟·霍爾姆斯。他們兩位的故事就留到下一回了。


    韋格納在1924年擔任奧地利卡爾·弗朗岑斯大學的氣象學和地球物理學教授。他的研究集中在物理、光學以及龍捲風。他先前已經對龍捲風進行了數年的研究,並於1917年發表了第一份完整的歐洲龍捲風氣候學。他還提出了龍捲風渦旋結構和形成過程。他持續研究他在第二次格陵蘭島探險的成果(冰觀測、大氣光學)直到1920年代末為止。

     
    韋格納的《陸與海的起源》英文版於1925年出版,1926年11月,韋格納在紐約市美國石油地質學家協會研討會(American Association of Petroleum Geologists)提出了大陸漂移理論,但是招致了其他科學家眾多的批評。但是韋格納英文不夠溜,沒有當場反駁反對的意見,這嚴重地延遲了大家接受大陸漂移說。


    韋格納最在乎的還是格陵蘭的探險事業,他在1929年開始他第三次格陵蘭考察,為以後的主力出征奠定基礎。他做出一個創新的測試,使用螺旋槳來驅動雪地車。 這一年他的《陸與海的起源》第四版出版了。這也是最後一次修訂。


    1930年,韋格納與三位德國科學家約翰內斯·格奧爾基(Johannes Georgi1888–1972),恩斯特·索爾格(Ernst Sorge1899–1946)和弗里茨·羅威(Fritz Loewe,1895–1974)一起對格陵蘭的冰蓋進行了他的第四次探險。格奧爾基曾是韋格納的學生,索爾格是冰川學家,羅威是氣象學家。


    他們預計要建立起三個永久性站點,從中可以測量格陵蘭冰蓋的厚度並進行全年北極氣象觀測。韋格納覺得他個人對這次探險身負重任,因為德國政府出資了12萬美元(以2007年的美元價值計算為150萬美元)。由於格陵蘭西海岸的冰層融化得很晚,他們被迫在船上呆到五月,直到六月中旬,比計劃晚了五週。他們聘請格陵蘭人將24萬磅的補給品從卡瑪魯茹克冰川 (Kamarujuk Glacier) 拖到最初的營地,但夏季的溫暖天氣和蚊子使得隊伍行進得很慢。格奧爾基和一些格陵蘭人繼續在250英里外建立了自己的營地埃斯米蒂特( Eismitte 意為冰中)。後來,索爾格加入了他們。原先的計劃是索爾格與格奧爾基兩人獨自在營地度過冬天,引爆炸藥以通過地震讀數和進行氣象研究來測量冰蓋的厚度。他們在冰上開了一個地下洞穴,這些洞穴比它們的地上帳篷溫暖得多。但是他們發現沒有足夠的燃料的話,他們將撐不過冬天,因此格奧爾基發了一封信給韋格納,說如果10月20日之前沒有收到物資,他們打算徒步返回西海岸營地。為了完成任務韋格納決定冒極大的危險運送物資過去。

    韋格納本來計劃在地表下方使用兩個螺旋槳驅動的雪橇,將其餘的補給品和人員帶到埃斯米蒂特營地,但它們在斜坡和深雪中的運作情況並不理想,因此韋格納只好放棄了這個主意。於是就在秋分的這一天,1930年9月21日,韋格納終於與130隻狗一起拉了十五隻雪橇,最終離開他的西海岸站前往埃斯米蒂特。過了5個星期後,索爾格和格奧爾基於10月30日下午在他們的舖位上的冰洞中,全身用馴鹿皮包裹住了,當索爾格聽到狗拉雪橇的聲音和表面隱約的聲音時,上面的冰。外面是華氏-60度。 索爾格高喊“他們來了!韋格納帶著物資來了!

    韋格納從西海岸的營地出發的旅程花了40天,儘管出發時有十四個人,十二個格陵蘭人和隨行的羅威以及韋格納,但是只有3人到達埃斯米蒂特營地,除了羅威與韋格納,另一名是拉雪橇的駕駛,格陵蘭人維朗姆森維倫森(Rasmus Villumsen)。其他人堅信這趟旅程有去無回,半途就拋下韋格納,回去海岸的營區了。

    這五個人在一起擠在冰洞中,羅威腳上嚴重凍傷,10天後,他還必須將八個腳趾的小刀截肢!到達埃斯米蒂特的隔天,韋格納慶祝了自己的50歲生日,並與維朗姆森維倫森合影留念,然後開始了回到沿海營地的危險旅程,之後兩人的蹤跡就消失在格陵蘭的冰天雪地之中。

    1931年4月,庫爾特 韋格納率領一支由7個雪橇和81條狗組成的隊伍從西海岸出發,在途中發現了被遺棄的雪橇,後來,他們發現韋格納的滑雪板直立放置在距離海岸一半的英里118處的積雪中,他的屍體埋在縫製的睡袋中;推測是他在冬季因滑雪橇而付出巨大努力後,在帳篷中死於心臟衰竭。維倫森的遺體則始終沒有被發現,也找不到韋格納的日記。韋格納的遺孀要求將他葬在那兒,並在附近的雪中豎起20英尺高的鐵十字架。

    研究工作繼續在埃斯米蒂特進行,並沒有因為韋格納喪生而中止。雖然失去腳趾,羅威還是權充探險隊的指揮。最後的炸藥爆炸記錄了地震“反射波”讀數,表明基岩位於雪下8,200至8,850英尺(2,500 – 2,700 m)之間。 雪的重量顯然意味著格陵蘭島的中部比山區沿海的低。他們在1932年離開格陵蘭。

    格奧爾基後來因為當時發出求救信,間接造成韋格納的喪生,所以多次遭到韋格納家屬的指責。他仍然執著於格陵蘭的探險,但是1949年就因身體健康不佳而退休。而索爾格在二戰時遭英軍俘虜,戰爭結束被釋放後不久就過世了。羅威回到德國以後協助韋格納的遺孀發表《格陵蘭之旅》(倫敦,1939年),這本書是對1930-31年探險的描述。由於羅威是猶太人,所以他在1933年失去了他的工作。他帶著妻子和女兒離開了德國。他在英格蘭劍橋的斯科特極地研究所調查了(1934-37)氣象學,在那裡,他與雷蒙德·普里斯特利爵士(Sir Raymond Priestley)接觸,最後他以卡內基基金會的身分移民到了澳大利亞。羅威於1937年3月1日與家人一起到達墨爾本。1939年,他在墨爾本大學(理學碩士)成立了氣象學系。普里斯特利爵士曾欽佩地說“他對這個剝奪了他的腳趾,他的生計,他的國家的冷酷世界抱持著非常友善的態度”。

    二戰結束後,羅威對南極洲進行了多次研究考察,也曾在巴基斯坦的喀拉蚩建立地質研究機構。羅威一生最大的功績是培養了澳大利亞第一代研究生氣象學家。作為一名研究人員,他熱衷於在緯度和高度的極端條件下測量自然現象。他每年在幾篇文章中報告他的發現。 “在每種情況下,他的測量都為已知條件開闢了新視野”。他對氣象科學的概述強調了他的信念,即理論上的“合理性”應取代經驗結果。 所以他被譽為“地球物理學探索英雄時代的偉人之一”,他於1974年3月27日去世。距離格陵蘭的悲劇已經過了四十四個年頭。

    後人為紀念韋格納,將他遇難的格陵蘭島地區,以他的名字被命名為韋格納半島。1980年,韋格納百年誕辰時,阿爾弗雷德·韋格納極地與海洋研究所在德國不萊梅港成立。 歐洲地球科學聯盟 (European Geosciences Union) 每年頒給傑出的地球科學家的韋格納勳章也是以他名字命名。

    韋格納雖然壯志未酬,殞身於冰雪中,他開創的大陸漂移說則依然在人間引發爭論。1950年後,為了解釋大陸漂移現象,板塊構造論逐漸發展。板塊構造學說之能夠被地質學界接受,全拜1950年海洋地質學與古地磁學的發展,這一段故事,十分曲折,讓我們見識到,科學理論的建立是多麼複雜的一件事情,詳細的情節還得等到下回分解了。還請各位看官千萬別忘了繼續捧場。


    參考資料:
    一 中文 英文 德文 丹麥文 維基相關資料
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