固体地球物理学概论第二章-02

1、 1 1）轨道的规律性）轨道的规律性 l共面性：共面性：行星轨道平面几乎平行，且与行星轨道平面几乎平行，且与 太阳赤道面平行。太阳赤道面平行。 l同向性：同向性：行星公转方向，除金星、天王行星公转方向，除金星、天王 星和冥王星以外，都与太阳自转方向一星和冥王星以外，都与太阳自转方向一 致，为逆时针方向。致，为逆时针方向。 l近圆性：近圆性：行星轨道偏心率小，除水星行星轨道偏心率小，除水星 （0.2060.206）和冥王星（）和冥王星（0.2480.248）以外，均）以外，均 小于小于0.10.1。 l 2 2）日距分布特征）日距分布特征BodeBode定律定律 l r rn n = 0.4 +

2、 0.3 = 0.4 + 0.3* * 2 2n n l 其中其中n n为行星秩序数，水星取为行星秩序数，水星取，金星取，金星取0 0， 地球取地球取1 1，火星取，火星取2 2，木星取，木星取3 3，冥王星取，冥王星取8 8。 l 3 3）质量与密度分布特征）质量与密度分布特征 l 太阳占了太阳系总质量的太阳占了太阳系总质量的99.85%99.85%，行星占，行星占 0.135%0.135%，其它占，其它占0.015%0.015%。若将行星分为三类，。若将行星分为三类， 即即 类地星（水星、金星、地球、火星）、巨类地星（水星、金星、地球、火星）、巨 行星（木星、土星）和远日星（天王星、海王行

3、星（木星、土星）和远日星（天王星、海王 星、冥王星），则有星、冥王星），则有 l质量分布：类地星巨行星质量分布：类地星巨行星 远日星远日星 l密度分布：类地星密度分布：类地星 巨行星巨行星 远日星远日星 l4)4)太阳系的年龄太阳系的年龄 l根据根据同位数测定同位数测定，地球、月球和陨石的，地球、月球和陨石的 年龄约在年龄约在4545亿年亿年左右，如果太阳系中所左右，如果太阳系中所 有的行星和陨石在同一时期形成，太阳有的行星和陨石在同一时期形成，太阳 系的年龄也应为系的年龄也应为4545亿年。亿年。 l5 5）太阳系天体的自转）太阳系天体的自转 l行星的自转可分两种情况，行星的自转可分两种情况

4、，类地星自转类地星自转 速率差异较大，速率差异较大，金星需金星需244244天，火星只需天，火星只需 1.031.03天；巨行星和远日星自转较快，均天；巨行星和远日星自转较快，均 不到不到1 1天。天。 l太阳自转有太阳自转有“赤道加速赤道加速”现象，现象，即赤道即赤道 处自转约处自转约25.425.4天，两极附近约天，两极附近约3535天，其天，其 内部旋转速度更快，可能比表面快十几内部旋转速度更快，可能比表面快十几 甚至几十倍。甚至几十倍。 l行星自转轴也不同，行星自转轴也不同，见下图。见下图。 2.2 2.2 太太 阳阳 系系 起起 源源 Origin of the Solar Syst

5、em 任何事物都有它的产生、发展和衰亡的任何事物都有它的产生、发展和衰亡的 过程，太阳系也不例外。太阳系的起源，过程，太阳系也不例外。太阳系的起源， 也即地球的起源问题。也即地球的起源问题。 从从1775年年康德康德根据牛顿的万有引力定律，根据牛顿的万有引力定律， 提出提出星云假说星云假说以来，国际上先后提出过以来，国际上先后提出过 40多种假说，归纳起来，多种假说，归纳起来，主要有主要有“灾变灾变 说说”、“俘获说俘获说”、“原始星云说原始星云说”， 以及以及“新星云假说新星云假说”。 一、新星云假说一、新星云假说 1. 灾变说灾变说 这种假说认为，这种假说认为，太阳系的形成是某种极太阳系的

6、形成是某种极 其偶然事件的结果。它属于激变说其偶然事件的结果。它属于激变说 灾变说认为，灾变说认为，太阳是先形成的，太阳是先形成的，行星和行星和 卫星后形成。卫星后形成。 由于某个事件，如一个恒星与太阳相撞由于某个事件，如一个恒星与太阳相撞 或距离很近时，从太阳中或距离很近时，从太阳中“拉出拉出”一部一部 分物质，并赋予巨大的转动角动量，这分物质，并赋予巨大的转动角动量，这 些物质后来逐渐形成了行星及其卫星。些物质后来逐渐形成了行星及其卫星。 1745年，法国生物学家布封（年，法国生物学家布封（G. L. L. Buffon，17071788）在）在一般的和特一般的和特 殊的自然史殊的自然史中

7、，提出了第一个行星形中，提出了第一个行星形 成的成的“灾变说灾变说”。认为一颗慧星掠碰了认为一颗慧星掠碰了 太阳，行星、卫星是由撞出的太阳物质太阳，行星、卫星是由撞出的太阳物质 形成的。形成的。 布封的学说，虽然在科学上是错误的，布封的学说，虽然在科学上是错误的， 但在反对宗教的上帝创造说中起过进步但在反对宗教的上帝创造说中起过进步 作用。作用。 2 俘获说俘获说 风靡一时的俘获说是风靡一时的俘获说是1944年由年由前苏联地前苏联地 球物理学家施密特球物理学家施密特（18911956）提出）提出 来的。有时又被称为来的。有时又被称为“陨星学说陨星学说”。 俘获说也是俘获说也是认为太阳是先形成的

8、，但与认为太阳是先形成的，但与 灾变说不同的是，它认为原始行星物质灾变说不同的是，它认为原始行星物质 是来自其它星际，被太阳的引力俘获而是来自其它星际，被太阳的引力俘获而 来的，如陨石来的，如陨石。 按施密特意见，按施密特意见，地球从来不是全部炽热地球从来不是全部炽热 的或气态的，而是由冷的尘埃般的陨石的或气态的，而是由冷的尘埃般的陨石 物质形成的，物质形成的，这是施密特假说不同于其这是施密特假说不同于其 他假说的地方。他假说的地方。 俘获说虽有其合理的地方，但仍存在着俘获说虽有其合理的地方，但仍存在着 许多没有解决的问题。例如，许多没有解决的问题。例如，当太阳和当太阳和 星际物质云的角动量相

9、差很大时，俘获星际物质云的角动量相差很大时，俘获 是不可能的。是不可能的。1953年施密特自己也承认年施密特自己也承认 这一点。这一点。 3 星云假说星云假说 Nebular Hypothesis 星云假说属于星云假说属于“渐变说渐变说”范畴。范畴。这种学这种学 说认为，说认为，太阳系乃由同一原始星云物质太阳系乃由同一原始星云物质 形成，行星和卫星是由一度围绕太阳的形成，行星和卫星是由一度围绕太阳的 星云盘物质凝聚而成的，并非某种偶然星云盘物质凝聚而成的，并非某种偶然 突变性事件的结果。突变性事件的结果。 1755年，康德（年，康德（I. Kant，17241804） 根据牛顿的万有引定律，根

10、据牛顿的万有引定律，提出了关于太提出了关于太 阳系起源的星云说。阳系起源的星云说。 (1)(1) 他认为形成太阳系的他认为形成太阳系的物质基础是星物质基础是星 云，云，即大团的旋转着气体和尘埃；即大团的旋转着气体和尘埃； (2)(2) 形成太阳系的形成太阳系的动力是自引力，动力是自引力，即星即星 云各部分的相互吸引力。云各部分的相互吸引力。 康德认为康德认为 处在混沌之中的宇宙初始物质处在混沌之中的宇宙初始物质 由于引力作用集结起来，更大的和更密由于引力作用集结起来，更大的和更密 集的一些质点开始把周围较小的和比较集的一些质点开始把周围较小的和比较 不密的质点吸引过去；不密的质点吸引过去； 以

11、后较小的物质凝团继续向工业已以后较小的物质凝团继续向工业已 形成的中心体落去，由于形成的中心体落去，由于相撞使中相撞使中 心体获得了更大的旋转运动，从而心体获得了更大的旋转运动，从而 产生了巨大的灼热天体产生了巨大的灼热天体太阳。太阳。 （3）随着旋转速度加大，大量微小尘埃）随着旋转速度加大，大量微小尘埃 物质在旋转着原始太阳的赤道上集中起物质在旋转着原始太阳的赤道上集中起 来，来，形成了扁平的星云盘。形成了扁平的星云盘。 以后，在星云盘的边缘部分形成了物质集以后，在星云盘的边缘部分形成了物质集 中的中心，并从中的中心，并从这些中心产生了行星和环这些中心产生了行星和环 绕行星的卫星。绕行星的卫

12、星。 在在41年以后，拉普拉斯（年以后，拉普拉斯（P.S.Laplace， 17491827）提出了和康德的内容相似的）提出了和康德的内容相似的 “原始星云说原始星云说”。 由于康德和拉普拉斯的基本观点相同，都由于康德和拉普拉斯的基本观点相同，都 认为地球是从原始星云转化而来，所以后认为地球是从原始星云转化而来，所以后 来人们把二者统称为康德来人们把二者统称为康德-拉普拉斯原始星拉普拉斯原始星 云说。云说。 但是，但是， 应该指出，两人的原始星云说应该指出，两人的原始星云说 也是也是有区别的。拉普拉斯认为原始星有区别的。拉普拉斯认为原始星 云是炽热发光的，而康德却没有提到云是炽热发光的，而康德

13、却没有提到 这上点。这上点。 由于康德和拉普拉斯的学说，是建立由于康德和拉普拉斯的学说，是建立 在在牛顿力学理论基础上牛顿力学理论基础上的，因此不可的，因此不可 避免地在科学上有它的避免地在科学上有它的局限性。局限性。 但是，它是人类认识宇宙过程中的但是，它是人类认识宇宙过程中的 又一里程碑，它在宇宙起源学说的又一里程碑，它在宇宙起源学说的 发展上起过巨大的作用。发展上起过巨大的作用。 康德康德-拉普拉斯的基本论点却受到了拉普拉斯的基本论点却受到了 时间的考验。时间的考验。 在此后半个多世纪里，人们普遍赞同星在此后半个多世纪里，人们普遍赞同星 云说。云说。 但是，但是，星云说在当时不能解释如角

14、动量星云说在当时不能解释如角动量 特殊分布的观测事实。特殊分布的观测事实。 在这种情况下，又出现一系列新的假说。在这种情况下，又出现一系列新的假说。 由于星云说属于渐变说，那么，这种新由于星云说属于渐变说，那么，这种新 的假说被称为激变说。的假说被称为激变说。 在十九世纪到二十世纪四十年代，是各在十九世纪到二十世纪四十年代，是各 种激变主产盛行时期。种激变主产盛行时期。 著名的激变说有：著名的激变说有：1878年，新西兰天文年，新西兰天文 学家毕克顿（学家毕克顿（A.W.Bickerton）认为，两）认为，两 颗恒星碰撞产生类似新星的爆炸，抛出颗恒星碰撞产生类似新星的爆炸，抛出 的物质形成行星

15、；的物质形成行星； 英国的勒斯（英国的勒斯（J.K.Jeans）提出风靡一时）提出风靡一时 的的“潮汐说潮汐说”，他认为有一颗恒星从太他认为有一颗恒星从太 阳近旁一掠而过，使太阳涨出了隆起的阳近旁一掠而过，使太阳涨出了隆起的 潮，分离出物质形成行星；潮，分离出物质形成行星； 杰弗瑞斯的杰弗瑞斯的“碰撞说碰撞说”，更认为是另一更认为是另一 颗恒星擦边碰了太阳，才形成行星颗恒星擦边碰了太阳，才形成行星. 等等等等. 在地球起源的学说的研究中，最困在地球起源的学说的研究中，最困 难的问题依然是难的问题依然是角动量角动量问题。问题。角动角动 量是转动的一种量度，它大致等于量是转动的一种量度，它大致等于

16、 质量、速度和轨道半径的乘积。质量、速度和轨道半径的乘积。 在太阳系里，太阳的质量约为行星在太阳系里，太阳的质量约为行星 总质量的总质量的750倍，倍，占全系统的占全系统的99%以以 上，但它的角动量却只有全系统的上，但它的角动量却只有全系统的 2%，行星的质量虽小，但角动量却，行星的质量虽小，但角动量却 很大。很大。 1972年，霍伊尔（年，霍伊尔（F.hoyle）从经典）从经典 的星云假说出发，考虑星际空间的的星云假说出发，考虑星际空间的 磁场作用，定量地计算了太阳和行磁场作用，定量地计算了太阳和行 星的角动量，从而有效地解释了太星的角动量，从而有效地解释了太 阳系特殊的角动量问题。阳系特

17、殊的角动量问题。 到目前为止到目前为止,已有很多假说来解释太阳系已有很多假说来解释太阳系 的起源的起源,但大家公认最好的假说是星云假但大家公认最好的假说是星云假 说说. Many hypotheses have been developed to explain the origin of our solar system. The current best hypothesis is called the nebular hypothesis: （1） A slowly spinning cloud of dust and gas in space (a nebula) begins to

18、collapse due to the mutual gravitational attraction between all the particles which make up the nebula (i.e., it begins to collapse under its own weight). Massive Infant Stars Rock their Cradle The Rotten Egg Nebula: A Planetary Nebula in the Making Ant-like Space Structure Previews Death of Our Sun

19、 Hubble Sees the Glow of Star Formation in a Neighbor Galaxy Turtle In Space Describes New Hubble Image Light and Shadow in the Carina Nebula Peering into the Heart of the Crab Nebula (2) As the nebula collapses, it begins to spin faster, and the spin rate increases as the nebula gets smaller. This

20、is because of a property of spinning objects called angular momentum. One law of physics says that the total angular momentum of a spinning object or system of objects (like the nebula) must remain the same as things change; it cannot be destroyed or created. If a spinning object, in this case our n

21、ebula, becomes smaller, it must spin faster to conserve its angular momentum. (This same effect works for figure skaters, by the way.) (3) As the nebula collapses, the gravitational attraction between its parts wants to pull the nebula together into a ball. The spin of the nebula counteracts the eff

22、ect of gravity, but only in one plane; the result of these combined effects of gravity and spinning force the nebula, over a long period of time, to collapse into a spinning disk with a central bulge (think of a laser disk with a golf ball in the middle). (4) The central bulge has more material in i

23、t than do the areas further out in the disk, and thus has a higher gravitational attraction; the result is that the bulge attracts additional material at an increasing rate. Eventually, the area becomes dense enough that it begins to warm dramatically. The bulge becomes a protostar. (5) At some poin

24、t, the central protostar gathers enough material to begin nuclear fusion. At that point, the protostar becomes a fully-fledged star. (6) Meanwhile out in the spinning disk, gas condenses into solid particles, and these particles and bits of dust begin to coalesce into small bodies called planetesima

25、ls (sort of mini planets). (7) Over time, the planetesimals collide and group together into larger and larger bodies, eventually reaching planetary size. (8) Eventually, the large planets sweep up most of the remaining planetesimals (and smaller bodies) and the solar system reaches a relatively stab

26、le configuration. Overall, this process from collapse to solar system takes something like 0.1-1 billion years. 4、戴文赛的新星云假说、戴文赛的新星云假说 戴文赛先生（戴文赛先生（19111979），天文学家，），天文学家， 福建人，生前任南京大学天文系教授、福建人，生前任南京大学天文系教授、 主任。主任。 天体演化是他的研究方向，特别着重于天体演化是他的研究方向，特别着重于 太阳系起源问题。太阳系起源问题。他在分析和评价国外他在分析和评价国外 和多种假说的基础上，和多种假说的基础上

27、，提出自己的太阳提出自己的太阳 系起源（其中包括地球起源）假说。系起源（其中包括地球起源）假说。 该假说继承和发展了康德和拉普斯的星该假说继承和发展了康德和拉普斯的星 云说，较全面、较系统和有内在联系地云说，较全面、较系统和有内在联系地 论述了太阳系各种特征的由来，论述了太阳系各种特征的由来，其中对其中对 波特定则的说明，对木星、土星、天王波特定则的说明，对木星、土星、天王 星的卫星和环带的说明以及角动量问题，星的卫星和环带的说明以及角动量问题， 都得出不同于前人的解释。都得出不同于前人的解释。 戴文赛先生认为：行星的形成要经过戴文赛先生认为：行星的形成要经过 “原始星云原始星云星云盘星云盘尘

28、层尘层星子星子行行 星星”这样几个步骤。这样几个步骤。 （1）原始星云的形成）原始星云的形成 原始星云是由一块星际云块塌缩并瓦解原始星云是由一块星际云块塌缩并瓦解 而成的。而成的。 首先要考虑星际云的塌缩，这里要用到首先要考虑星际云的塌缩，这里要用到 研究物质团收缩和膨胀的研究物质团收缩和膨胀的一个重要物理一个重要物理 定理定理维里定理。维里定理。 维里定理所要分析的是，使其膨胀的能维里定理所要分析的是，使其膨胀的能 量量U（如分子热运动热能）和使其收缩的（如分子热运动热能）和使其收缩的 能量能量（如引力位势）是否平衡。（如引力位势）是否平衡。 根据根据U、的物理意义不难得出：的物理意义不难得

29、出： 当当 2U+0时，物资团膨胀；时，物资团膨胀； 当当 2U+0时，物资团收缩；时，物资团收缩； 当当 2U+0时，该物资团处于既不膨时，该物资团处于既不膨 胀也不收缩的平衡状态。胀也不收缩的平衡状态。 对于一个天体系统，同样要考虑维里定对于一个天体系统，同样要考虑维里定 理。理。 根据维里定理，当根据维里定理，当忽略忽略自转、磁场及湍自转、磁场及湍 流，只考虑引力势能和热能时，流，只考虑引力势能和热能时，可得出可得出 如下星际云自吸引塌缩条件：如下星际云自吸引塌缩条件： M2.44103M0. 式中式中 M0=1.991033g，为太阳现质量。，为太阳现质量。M为为 星际云质量。星际云质

30、量。该式表明，星际云质量比太阳该式表明，星际云质量比太阳 现质量大三个数量级，它才会塌缩。现质量大三个数量级，它才会塌缩。 当星际云塌缩到密度为当星际云塌缩到密度为10-15g/cm3时，内部会时，内部会 发生不稳定情况，发生不稳定情况，即：出现扰动物时，会造即：出现扰动物时，会造 成涡流，成涡流，将星际云瓦解为上千个小云，其中将星际云瓦解为上千个小云，其中 之一则是太阳系前身之一则是太阳系前身原始星云。原始星云。 原始星云原始星云其其质量质量为为M0，=11.3。原始星。原始星 云的角动量约为今日太阳系角动量的云的角动量约为今日太阳系角动量的158 200倍。倍。 （2）、星云盘的形成星云盘

31、的形成 原始星云盘继续塌缩，半径逐渐减小，原始星云盘继续塌缩，半径逐渐减小，因角因角 动量守恒，造成自转速度增大。动量守恒，造成自转速度增大。赤道面上的赤道面上的 外边缘物质，当其惯性离心力与中心部分引外边缘物质，当其惯性离心力与中心部分引 力相抗衡时，便停下来，逐渐形式类似力相抗衡时，便停下来，逐渐形式类似“铁铁 饼饼”的星云盘。的星云盘。星云盘形成的同时，云盘中星云盘形成的同时，云盘中 心的原始太阳亦形成。心的原始太阳亦形成。 为了对星云盘的的温度、厚度和密度做出估为了对星云盘的的温度、厚度和密度做出估 计，需要介绍计，需要介绍罗奇密度的概念。罗奇密度的概念。 首先让我们看图首先让我们看图

32、2.2-1所示大小球吸引的例子。所示大小球吸引的例子。 分析分析两个小球在大球作用下聚集的条件两个小球在大球作用下聚集的条件。 大球作用于靠近它的小球大球作用于靠近它的小球1和远离它的小和远离它的小 球球2的引力，分别为的引力，分别为 因为因为F1F2，若没有其它力的作用，这，若没有其它力的作用，这 两个小球就要在共同靠近大球的过程中，两个小球就要在共同靠近大球的过程中， 彼此分开。彼此分开。但是，但是，两个小球之间还存在两个小球之间还存在 引力引力，大小为，大小为 2 1 )(ra GMm F 2 2 )(ra GMm F 这个力使两个小球彼此聚集。这个力使两个小球彼此聚集。显然，显然， 使

33、两个小球聚集而不致分开的条件使两个小球聚集而不致分开的条件 是是 f12F1F2 2 2 12 4r Gm f 将将F1 、 F2 和和 f12的表达式代入上式，经的表达式代入上式，经 整理后变成：整理后变成： 04（Ma3） 式中式中0称为罗奇密度，上式称为聚集条称为罗奇密度，上式称为聚集条 件。件。 上述关系是在一个大球和两个小球这种上述关系是在一个大球和两个小球这种 情况下导出来的。情况下导出来的。 作为一般情况，除作为一般情况，除引力引力外，还存在小球外，还存在小球 轨道运动的轨道运动的离心力、电磁力离心力、电磁力等其它作用，等其它作用， 这时这时上式中的系数不为上式中的系数不为4，可

34、能还要大些，可能还要大些， 一般写成一般写成，故此得出，故此得出 0（Ma3） 可以用上式分析气体星云在太阳引力下可以用上式分析气体星云在太阳引力下 的稳定性问题。的稳定性问题。 当气体星云的密度当气体星云的密度达到由太阳质量和达到由太阳质量和 距离决定的罗奇密度距离决定的罗奇密度0 0时，太阳的引时，太阳的引 力与气体星云内物质自身引力相平衡。力与气体星云内物质自身引力相平衡。 当超过罗奇密度时，实现了星云自身引当超过罗奇密度时，实现了星云自身引 力的稳定性，开始行星的聚集过程。力的稳定性，开始行星的聚集过程。 现太阳质量现太阳质量 M=1.99=1.99101033 33g g，日地 ，日

35、地 距离距离=1.49=1.49101013 13cm cm。若仅考虑引。若仅考虑引 力（取力（取=4=4）可计算；罗奇密度）可计算；罗奇密度 0 0=2.3=2.31010-3 -3g/cm g/cm3 3。 地球密度地球密度=5.5g/cm=5.5g/cm3 3 0 0，故，故 地球在太阳引力作用下，不会被分地球在太阳引力作用下，不会被分 离，但可产生变形（固体潮）。离，但可产生变形（固体潮）。 星云盘温度星云盘温度 由太阳辐射、云盘消光和云由太阳辐射、云盘消光和云 盘热辐射决定，由能量平衡方程可以推盘热辐射决定，由能量平衡方程可以推 算出，云盘内界温度为算出，云盘内界温度为1900K，云

36、盘，云盘 外界温度为外界温度为15K。 （3）尘层的形成）尘层的形成 云盘中云盘中尘粒（包括土物质和冰物质）跟尘粒（包括土物质和冰物质）跟 气体一起绕太阳转动，气体一起绕太阳转动，同时也做布朗运同时也做布朗运 动，彼此发生碰撞，结合成颗粒（碰撞动，彼此发生碰撞，结合成颗粒（碰撞 吸积），并在引力吸积），并在引力z方向分量作用下，颗方向分量作用下，颗 粒克服气体阻力，粒克服气体阻力，向赤道沉降，逐渐形向赤道沉降，逐渐形 成尘层。成尘层。 （4）星子的形成星子的形成 当尘层的当尘层的物质密度足够大物质密度足够大时，时，局部扰动会导局部扰动会导 致引力不稳定性，使尘层瓦解为许多物质团致引力不稳定性，

37、使尘层瓦解为许多物质团。 物质团的密度随时间而指数式增长。物质团的密度随时间而指数式增长。当物质当物质 团的密度超过罗奇密度时，就可以自吸引塌团的密度超过罗奇密度时，就可以自吸引塌 缩，聚集成固体星子。缩，聚集成固体星子。 瓦解之后的星子质量估计为瓦解之后的星子质量估计为1018g（内区）到（内区）到 1020g（外区）。（外区）。各物质团自吸引收缩，很快各物质团自吸引收缩，很快 形成星子。形成星子。 估计估计地球处地球处由由物质团形成星子的时间为物质团形成星子的时间为104a， 木星处的时间为木星处的时间为106a。 (5)(5) 行星（胎）的形成行星（胎）的形成 初始星子绕太阳作开普勒运动

38、外，还有初始星子绕太阳作开普勒运动外，还有 随机运动。大量的星子轨道是杂乱章的，随机运动。大量的星子轨道是杂乱章的， 因而频繁地相遇和碰撞，发生结合或者因而频繁地相遇和碰撞，发生结合或者 碎裂。碎裂。实验表明，相对速度小于实验表明，相对速度小于0.5km/s 的星子碰撞，其结果总是结合，而相对的星子碰撞，其结果总是结合，而相对 速度大于速度大于1 km/s的星子碰撞，其结果可的星子碰撞，其结果可 能发生碎裂。前者成为更大星子，后者能发生碎裂。前者成为更大星子，后者 成为更小星子。成为更小星子。 大星子引力较强，大星子引力较强，更有效地吸积周围的更有效地吸积周围的 物质和小星子（引力吸积），物质

39、和小星子（引力吸积），迅速成长迅速成长。 小星子引力较弱，小星子引力较弱，吸积残余尘粒而吸积残余尘粒而缓慢缓慢 生长。生长。较大星子较大星子（直径大于（直径大于1 km）因为因为 自身吸引力场强，自身吸引力场强，由碰撞聚积为主过渡由碰撞聚积为主过渡 到引力吸积为主。到引力吸积为主。物质不断聚集到大星物质不断聚集到大星 子上，使其生长更快更大，子上，使其生长更快更大，最大星子成最大星子成 为行星胎。为行星胎。 由星子结合行星时间，各人用不同方法由星子结合行星时间，各人用不同方法 估算，就地球而言，竟差估算，就地球而言，竟差34量级。据量级。据 戴文赛估计，戴文赛估计，地球形成时间为地球形成时间为

40、106107a， 木星（固体核）形成时间为木星（固体核）形成时间为107a，水星水星 为为104106a。这与陨星母体的形成时间这与陨星母体的形成时间 为几千万年大致相符。为几千万年大致相符。 二、新星云假说对若干观测事实二、新星云假说对若干观测事实 的解释的解释 一个假说能否成立，不仅在于这个假说一个假说能否成立，不仅在于这个假说 能自圆其说，而且在于能否解释已有的能自圆其说，而且在于能否解释已有的 观测事实，并为以后新的观测事实所证观测事实，并为以后新的观测事实所证 明。明。 1、行星轨道运动的解释、行星轨道运动的解释 行星要解释的是轨道运动的行星要解释的是轨道运动的同向性、共同向性、共

41、面性和近圆性。面性和近圆性。 对于对于同向性同向性，显然这是因为它们由同一显然这是因为它们由同一 自转的原始星云形成的必然结果。自转的原始星云形成的必然结果。 对于对于共面性和近圆性，也可以从共面性和近圆性，也可以从“尘层尘层 星子星子行星（胎）行星（胎）”过程的随机性质过程的随机性质 加以解释。加以解释。对于随机过程，有其必然的对于随机过程，有其必然的 统计规律。统计规律。 在众多星子集聚成行星时。通过碰撞聚在众多星子集聚成行星时。通过碰撞聚 积和引力吸积，使轨道偏心率积和引力吸积，使轨道偏心率e和轨道倾和轨道倾 角角i平均化较好，即平均化较好，即e和和i 的值都较小。的值都较小。 2、行星

42、体积、质量和密度分布的解、行星体积、质量和密度分布的解 释释 行星可分为三类：行星可分为三类：类地行星，巨行星和类地行星，巨行星和 远日行星远日行星。各行星的质量、半径和密度。各行星的质量、半径和密度 已在前面作了介绍。已在前面作了介绍。 显然，显然，行星大小和质量分布特征是两头行星大小和质量分布特征是两头 小、中间大，行星的密度分布特征是类小、中间大，行星的密度分布特征是类 地行星大、巨行星小、远日行星居中。地行星大、巨行星小、远日行星居中。 这种分布特征是行星形成总过程的必然这种分布特征是行星形成总过程的必然 结果，反映了各类行星在形成条件上的结果，反映了各类行星在形成条件上的 差别。差别

43、。 类地行星区温度高，类地行星区温度高，只有土物质凝聚，而冰只有土物质凝聚，而冰 物质和气物质大部分挥发掉。远日行星区太物质和气物质大部分挥发掉。远日行星区太 阳引力弱，所需逃逸速度小，因而大部分气阳引力弱，所需逃逸速度小，因而大部分气 物质逃离太阳系。物质逃离太阳系。 巨行星区的温度不如类地行星区高巨行星区的温度不如类地行星区高，巨行星，巨行星 区的逃逸度不如行星区小，因此这个地区保区的逃逸度不如行星区小，因此这个地区保 持有相当数值的气物质（其它两种都居中）。持有相当数值的气物质（其它两种都居中）。 这就导致三个区的化学组成的差异。这就导致三个区的化学组成的差异。含土物含土物 质多的类地行

44、星密度大，含气物质多的巨行质多的类地行星密度大，含气物质多的巨行 星密度小，含冰物质多的远日行星密度居中星密度小，含冰物质多的远日行星密度居中。 3、行星轨道半径分布的解释、行星轨道半径分布的解释 行星公转轨道半径的分布，遵从统计规行星公转轨道半径的分布，遵从统计规 律律波特定则波特定则。它有多种表示式。其中，。它有多种表示式。其中， 可由相邻轨道半长轴可由相邻轨道半长轴n表示成如下等比表示成如下等比 级数形式：级数形式： a n1an1.690.26 观测值与计算值在内行星符合得很好，观测值与计算值在内行星符合得很好， 而外行星符合得较差。而外行星符合得较差。 4 行星定居顺序及数目的解释行

45、星定居顺序及数目的解释 因为尘层的密度随远离太阳而减小因为尘层的密度随远离太阳而减小，星，星 子生长率与密度成正比，子生长率与密度成正比，故可知靠近太故可知靠近太 阳的行星先形成。阳的行星先形成。水星胎形成时，金星水星胎形成时，金星 区已有了大星子，它同水星胎争夺边界区已有了大星子，它同水星胎争夺边界 区物质。如果它离水星近，因边界物质区物质。如果它离水星近，因边界物质 少，不会生长快；它也不会离地球区近，少，不会生长快；它也不会离地球区近， 因为还与那里的大星子争夺物质。因为还与那里的大星子争夺物质。 形成行星的数量与星云盘内可吸积物质形成行星的数量与星云盘内可吸积物质 的数量有关。的数量有

46、关。 若星云盘内可吸积物质为若星云盘内可吸积物质为0.00135M0时，时， 形成九个行星和小行星；形成九个行星和小行星；当云盘内可吸当云盘内可吸 积物质积物质增加增加12倍倍时，时，只形成三个行星只形成三个行星； 当云盘内可吸积物质当云盘内可吸积物质增加增加340倍倍时，则时，则只只 形成一个天体，太阳系便成双星系了形成一个天体，太阳系便成双星系了。 5 角动量分布的解释角动量分布的解释 如前所述，太阳系中太阳的质量大、角如前所述，太阳系中太阳的质量大、角 动量却小，行星及其卫星的质量小、角动量却小，行星及其卫星的质量小、角 动量却大，相差非常悬殊。动量却大，相差非常悬殊。 这一角动量的特殊

47、分布，很自然使人们这一角动量的特殊分布，很自然使人们 想到，原始太阳质量占原始星云绝大部想到，原始太阳质量占原始星云绝大部 分，它刚形成时角动量一定比现在大得分，它刚形成时角动量一定比现在大得 多，多，需要某种机制转移掉它的角动量。需要某种机制转移掉它的角动量。 这种机制就是这种机制就是“沙兹曼机制沙兹曼机制”。 太阳系中太阳和行星的角动量分布，与太阳系中太阳和行星的角动量分布，与 太阳的演化和行星的形成过程有关。太阳的演化和行星的形成过程有关。 计算表明，太阳在其发展的金牛计算表明，太阳在其发展的金牛T阶段之阶段之 前，角动量需要减少几十倍，才能保证前，角动量需要减少几十倍，才能保证 太阳继

48、续收缩。太阳继续收缩。 在这里在这里“沙兹曼机制沙兹曼机制”是有效的，是有效的，因为因为 那时太阳自转快，表层活动剧烈，能够那时太阳自转快，表层活动剧烈，能够 抛出很多带电粒子，这些带电粒子沿着抛出很多带电粒子，这些带电粒子沿着 与太阳共转的磁力线运动，由于当时的与太阳共转的磁力线运动，由于当时的 磁场比现在强得多，所以可以带走大量磁场比现在强得多，所以可以带走大量 角动量。角动量。 三、地球的形成和演化三、地球的形成和演化（the Formation and Evolution of the earth 1、地球的形成、地球的形成 地球是太阳系中一个普通成员，一颗地球是太阳系中一个普通成员，

49、一颗“规规 则则”行星，因此，可以用太阳系起源的戴行星，因此，可以用太阳系起源的戴 文赛假说，在解释一般行星的形成过程中，文赛假说，在解释一般行星的形成过程中， 也解释地球的形成。也解释地球的形成。 概括地说，一个冷的、自转的原始星云概括地说，一个冷的、自转的原始星云 （质量（质量1.3M0）因自吸引而收缩）因自吸引而收缩,，中部，中部 形成太阳，外部形成星云盘，凝聚的固体形成太阳，外部形成星云盘，凝聚的固体 颗粒沉降到云盘中面（赤道面）附近尘层。颗粒沉降到云盘中面（赤道面）附近尘层。 尘层各区的物理尘层各区的物理-化学条件不同。化学条件不同。当尘层当尘层 的物质密度足够大，可以发生引力不稳的

50、物质密度足够大，可以发生引力不稳 定性而瓦解为许多物质团。这些物质团定性而瓦解为许多物质团。这些物质团 集聚为星子，星子又因吸积而集聚成行集聚为星子，星子又因吸积而集聚成行 星。星。这就是太阳系形成的一般轮廓，也这就是太阳系形成的一般轮廓，也 就是各行星形成过程中的共性。就是各行星形成过程中的共性。 在尘层的地球区内，在尘层的地球区内，最大星子成为最大星子成为地球地球 胎。胎。由于尘层内各区的星子有大致相同由于尘层内各区的星子有大致相同 的组成，所以地球吸积生长的的组成，所以地球吸积生长的初期初期是是均均 一吸积的。一吸积的。 但是，由于大星子及行星胎的摄动，星但是，由于大星子及行星胎的摄动，

51、星 子改变轨道，可移到相邻的区域内，因子改变轨道，可移到相邻的区域内，因 此，此，在地球生长的后期在地球生长的后期，一定有，一定有相当数相当数 量的其它区的星子量的其它区的星子。尤其是。尤其是邻近的金星邻近的金星 区和火星区的星子区和火星区的星子，在通过地球区时，在通过地球区时， 可以被地球胎吸积，因而在可以被地球胎吸积，因而在地球生长后地球生长后 期期对对均一吸积有一定的偏差均一吸积有一定的偏差。 地球形成时的温度、密度和物质组成等地球形成时的温度、密度和物质组成等 状况，对地球形成后的早期演化将起决状况，对地球形成后的早期演化将起决 定作用。定作用。 2、地球的早期演化地球的早期演化 地球

52、演化问题，是地球起源问题的自然地球演化问题，是地球起源问题的自然 延伸。延伸。如果说地球起源还离不开整个整如果说地球起源还离不开整个整 个太阳系形成的话，个太阳系形成的话，那么地球演化基本那么地球演化基本 是地球自身的改造过程。是地球自身的改造过程。只是在它发展只是在它发展 的的某一阶段经受了小天体的撞击，从而某一阶段经受了小天体的撞击，从而 影响它的演化方向。影响它的演化方向。 地球形成后，有过各种各样的变化。其地球形成后，有过各种各样的变化。其 中，中，影响特别深远的是整个地球分化成影响特别深远的是整个地球分化成 同心圈层，即地核、地幔、地壳、水圈、同心圈层，即地核、地幔、地壳、水圈、 大

53、气圈以及生物圈。大气圈以及生物圈。 其中其中地核地核-地幔地幔-地壳，组成固体地球。地壳，组成固体地球。 水圈和大气圈对固体地球的形成和改造水圈和大气圈对固体地球的形成和改造 的形成和改造的作用也是不容忽视的。的形成和改造的作用也是不容忽视的。 （1）地核和地幔的形成）地核和地幔的形成 从太阳星云分化出来时的原始地球，是从太阳星云分化出来时的原始地球，是 一个均匀的球体，还是一个已经分层的一个均匀的球体，还是一个已经分层的 球体？对此有许多研究，可概括地分为球体？对此有许多研究，可概括地分为 两大派，两大派，均一吸积说和非均一吸积说。均一吸积说和非均一吸积说。 非均一吸积说认为非均一吸积说认为

54、，在原始星云中铁和，在原始星云中铁和 硅已经分离。地球的吸积生长过程不是硅已经分离。地球的吸积生长过程不是 均一的，均一的，即先吸积铁，形成地核，后来即先吸积铁，形成地核，后来 吸积硅酸盐，形成地幔。吸积硅酸盐，形成地幔。 均一吸积说认为均一吸积说认为，地球所吸积的物质在，地球所吸积的物质在 组成上是均一的，组成上是均一的，吸积的物质同时含有吸积的物质同时含有 硅和铁硅和铁，地核和地幔的分异地核和地幔的分异，是在，是在吸积吸积 过程或吸积结束时开始的过程或吸积结束时开始的。 一般认为，均一吸积说的可能性大一般认为，均一吸积说的可能性大。根。根 据这种假说，原始地球是一个接近均质据这种假说，原始

55、地球是一个接近均质 混杂在一起，并没有明显的分层现象。混杂在一起，并没有明显的分层现象。 但是，但是，地球物质的均质现象是相对的，地球物质的均质现象是相对的， 暂时的。暂时的。 在圈层分化过程中，在圈层分化过程中，温度是不容忽视的的外温度是不容忽视的的外 在条件在条件。在温度很低时，各种不同物质都以。在温度很低时，各种不同物质都以 固态存在着。因此，它们不可能在重力的作固态存在着。因此，它们不可能在重力的作 用下自由地升降。后来，由于地球的体积逐用下自由地升降。后来，由于地球的体积逐 渐增大，地球保存的热能的能力就将逐渐增渐增大，地球保存的热能的能力就将逐渐增 加。加。 这样、放射性元素在蜕变

56、中所产生的热能，这样、放射性元素在蜕变中所产生的热能， 就在地球内部积累起来。随着地球内部热量就在地球内部积累起来。随着地球内部热量 的积累、地球内部的温度就逐渐增高，地内的积累、地球内部的温度就逐渐增高，地内 物质也就具有越来越高的可塑性。物质也就具有越来越高的可塑性。当温度高当温度高 到一定程度，以致地内物质具有足够的可塑到一定程度，以致地内物质具有足够的可塑 性时，就开始了重力作用下的分化过程。性时，就开始了重力作用下的分化过程。 圈层分化的结果，形成以密度高低为顺圈层分化的结果，形成以密度高低为顺 序的明显层次。序的明显层次。在这里，在这里，物质密度的差物质密度的差 异，则是圈层分化的内在条件。异，则是圈层分化的内在条件。 人们知道，地内的人们知道，地内的较轻物质，无非是硅较轻物质，无非是硅 酸物质；酸物质； 而而较重物质，无非是铁和镍。较重物质，无非是铁和镍。 硅酸物质具有低密度和高熔点性质。硅酸物质具有低密度和高熔点性质。 相反，相反，铁和镍具有高密度和低熔点性质。铁和镍具有高密度和低熔点性质。 因此，当地内因此，当地内温度足够高温度足够高的时候，的时候，铁和铁和 镍就熔化了镍就熔化了，而，而硅酸物质硅酸物质仍然保持其仍然保持其固固 体状态。体状态。 这样，地球上层的铁和