地球的起源和演化

地球的起源和演化

天象是大自然中最富于神秘性的审美对象，那一轮红日，在人们心目中享有至高无上的地位。那时圆时缺的月亮，还有那银河和满天星斗，引发了多少美丽的神话，如夸父逐日、后羿射日、嫦娥奔月，还有牛郎织女的故事。天文上最大的概念是宇宙，宇是指无边无际的空间，宙是指无始无终的时间。宇宙之大，大得使人们难以想象。我们用双眼看星空可观测到6000多颗恒星，若是用小型望远镜能看到恒星5万余颗，用现代最大的天文望远镜能观测到100亿颗以上，天文科学家估计银河系最少有恒星1500亿颗，而宇宙之中有无数个这样的银河系，太阳仅仅是银河系内亿万颗恒星中的一个。

无论东方还是西方，关于宇宙的形成自古就有许多传说。我国有“盘古开天地”的神话故事，说宇宙原是一个像鸡蛋的黑暗混沌气团，盘古就孕育其中。过了18000年，盘古醒来，眼前一片漆黑，于是挥动板斧劈开像鸡蛋的混沌气团，轻而清的东西上升变成了天，重而浊的东西就变成了大地，从此有了天地之分。古希腊神话说，宇宙初始在一片混沌之中，最初出现了盖娅(大地)女神和乌拉诺斯(天空)男神，他们生下的孩子们具有超人力量，并长有1000只手，由于这些巨人的支撑，宇宙才不至于回复到混沌之中。

地球究竟是怎样形成的?为了探索这一奥秘，早在远古时期，人们就做过许多尝试。某些古代的神话把初生的地球描绘为一个温热的液体。1644年法国的哲学家笛卡儿把最早的地球看成一团宛如太阳的炽热体。中国先秦时就有天地生于气，“清阳为天，浊阴为地”的说法。对地球起源问题进行系统的科学探讨，是从18世纪中叶才开始的。因为地球是太阳系的成员之一，所以地球的起源和太阳系的起源基本上是同一个问题。

自1775年德国哲学家康德第一个提出太阳系起源的星云说以来，太阳系起源的学说已有40多种，但其中还没有一种学说是比较完整和普遍被接受的。太阳系起源的各种学说可分为灾变说、俘获说、星云说三大类。

灾变说

亦称分出说。该学说认为太阳系主要成员的构成物质，是宇宙中某种偶然的巨变事件突发的结果。这种巨变可能是太阳自身的爆发，也可能是走近太阳的恒星或碰撞太阳的恒星所造成的。

1745年，法国动物学家布丰首次提出灾变说，他认为曾有一个巨大的彗星碰撞固态太阳的边缘，这就造成了太阳的自转，并碰撞出大量物质，冷却下来形成行星。1900年，美国地质学家张伯伦提出，有一个恒星行进到距太阳几百万千米的位置时，于是在太阳的正、反面就掀起了两股巨大的潮，并抛出物质聚合成行星。1916年，英国天文学家金斯假定，有另一个恒星从太阳旁边掠过，于是在太阳的表面就产生了潮汐隆起，而正面的隆起物逐渐从太阳脱离引出了一条带状物质，然后这个带分裂成若干块，以后各自聚合成了行星。此后，还有双星说、超新星说等灾变学说。

灾变说的偶然性因素是其最致命的弱点，它不能解释太阳系角动量的特殊分布等问题，该学说已基本被否定。(角动量或称动量矩是转动的一种量度，它等于角速度和转动惯量的乘积，或大致等于质量、速度和轨道半径的乘积。在宇宙中，太阳的质量是太阳系各行星质量总和的750倍，但它的角动量却占该系统的2%;与此相反，行星的质量虽小，但角动量却很大。究竟是什么作用导致这一转动系统，使太阳的转动显得太慢，而行星则转动显得太快，这一直是太阳系起源假说的一个最大难题。)

俘获说

该学说认为组成行星和卫星的物质是太阳形成以后，从太阳邻近区域的恒星星际空间捕获到的。

1944年，前苏联学者施米特认为，太阳在宇宙运行中穿越了某个星际云，捕获了大约相当于太阳质量3%的星际物质，然后这些物质才逐渐演变成行星和卫星。爱尔兰学者埃奇沃思、英国学者彭德雷、印度学者米拉特等也提出了类似的俘获假说。

俘获说提出的一个主要出发点，是为了说明太阳系角动量的异常分布。但经过计算，俘获的概率极其微小，且仍无法解释不变平面等其他一些问题，故该学说也已被搁置。

星云说

亦称共同形成说。该学说认为太阳系所有的天体都是由一个原始星云形成的，星云中心部分的物质形成了太阳，外围部分的物质形成了行星等星体。

1755年，德国哲学家康德(图1—1)首次提出星云说，他认为太阳系是由星云形成的，形成太阳系的这团原始星云由大小不等的固体颗粒组成，万有引力使微粒相互接近，星云盘里的物质微粒相互碰撞的过程中，大微粒把小微粒吸引过去凝聚成较大的团块，具有较大引力的大团块，又不断吸引小团块使自己进一步壮大。引力最强的中心部分吸引的物质最多，这就形成太阳。外围的微粒在太阳吸引下形成绕太阳的圆周运动，这些微粒又各自形成几个引力中心，并凝聚成行星。1796年，法国天文学家拉普拉斯认为，这团星云是一团巨大的、炽热的、慢慢旋转着的气体，这团气体逐渐冷却、收缩。在中心引力和离心力的共同作用下，星云变为扁平盘状，一个又一个的圆环从中心团被抛出，各环凝聚成各个行星，而中心团形成了太阳。

星云说首先提出了自然界是不断发展的辩证观点，目前，它虽然在科学上还有不少缺点，但其基本思想还是正确的，目前星云说的多种解释则有趋向同一的倾向。

按照太阳系起源的星云说，许多天文学家认为，原始的太阳系最初是由原气体及尘粒组成的原始星际云经过内部转化，内部引力使它凝聚成一种旋转着的扁平圆盘，这个圆盘形的尘粒云后来分裂成一个日益收缩的稠密的中心体，以及一系列包围该中心体的同心外环体，这个中心体拥有尘粒云质量的99%，外环体拥有原气体、尘粒云质量的1%。由于外环体和中心质体的距离不同，组成原材料的性质也不相同，因此形成的各个行星具有不同的特性。

图1—1　德国哲学家康德

旋转着的各个外环体中，一种说法是地球的原体发展成两个密度愈来愈大的核心，最后成为地和月这对星球;另一种说法是先由两团相邻的外环物质发展成两个行星原体，然后相互接近，互相吸引成对。

当形成地球原体的气体与尘粒收缩时，旋转使较重的元素沉入内部，形成厚重的核心，而较轻的元素则浮向地球表面，慢慢冷却结成地壳，地球就这样诞生了。与此同时，中心体太阳也在收缩，达到临界密度的太阳内部产生热核反应发出热量，释放出大量能量，以辐射形式散布宇宙空间。其中22亿分之一的能量到达地球，是地球上生物所需光和热的主要来源。

根据放射性同位素方法，对地球上最古老的岩石、各类陨石及从月球取回的月岩进行年龄测定的结果，推算出地球的形成至少已有46亿年。