长安大学地球物理学原理-第2章地球的起源

1、l 地球的起源、形成和演化在地球科学，乃致整地球的起源、形成和演化在地球科学，乃致整个自然科学领域里都是一个基本的理论问题。个自然科学领域里都是一个基本的理论问题。l 地球起源离不开整个太阳系形成。进一步太阳地球起源离不开整个太阳系形成。进一步太阳系的形成离不开对整个宇宙的认识。系的形成离不开对整个宇宙的认识。 传说与神话传说与神话 宗教将神话加工成教义宗教将神话加工成教义 圣经圣经开宗明义：开宗明义： “起初，神创造天地，地是空虚混沌，渊面黑起初，神创造天地，地是空虚混沌，渊面黑暗。暗。”“”“神说要有光就有了光，神看光是好的，神说要有光就有了光，神看光是好的，就把光暗分开了。神称光为昼，暗

2、为夜。有晚就把光暗分开了。神称光为昼，暗为夜。有晚上，有早晨，这是头一日。上，有早晨，这是头一日。” 空气，海，地，太阳，众星，大鱼，飞鸟空气，海，地，太阳，众星，大鱼，飞鸟 牲畜，昆虫和野兽，第七日牲畜，昆虫和野兽，第七日 人人 关于宇宙我们都知道了关于宇宙我们都知道了 阴阳两仪变化阐释宇宙万物的变化法则：阴阳两仪变化阐释宇宙万物的变化法则：无极生太极，太极生两仪无极生太极，太极生两仪两仪生四象，四象生八卦，以至无穷两仪生四象，四象生八卦，以至无穷 程伊川：阴阳分离就不再有道，形成阴阳程伊川：阴阳分离就不再有道，形成阴阳 的因才是正道。的因才是正道。 阴阳是气阴阳是气 形而下；形而下； 道是

3、形成阴阳的理道是形成阴阳的理 形而上。形而上。 朱熹：无极而太极。朱熹：无极而太极。 太极是阴阳的因，是无极。太极是阴阳的因，是无极。 老子：无，以无为有道；老子：无，以无为有道； “无无”中生有中生有 裂变裂变 演化演化 弗里德曼证明了：弗里德曼证明了： 相对论相对论 膨胀的宇宙膨胀的宇宙 哈勃的发现，大爆炸宇宙模型哈勃的发现，大爆炸宇宙模型 “凡是形成的东西都是要灭亡的。凡是形成的东西都是要灭亡的。” 宇宙有起源，宇宙有终结；宇宙有起源，宇宙有终结；“杞人忧天杞人忧天”预言并非都是骗局预言并非都是骗局 关键是宇宙的平均密度关键是宇宙的平均密度 取决于将行星系拉回来的引力的大小取决于将行星系

4、拉回来的引力的大小 引力取决于：宇宙中物质总量，宇宙半径引力取决于：宇宙中物质总量，宇宙半径混沌初开混沌初开宇宙始于大爆炸宇宙始于大爆炸大爆炸理论大爆炸理论：“Big Bang” 发生在发生在150150亿年前亿年前, ,在重力在重力作用下，碎片聚集、能量释放作用下，碎片聚集、能量释放, ,高速旋转的、浑沌的星云高速旋转的、浑沌的星云团开始分异。团开始分异。大爆炸理论大爆炸理论:宇宙的全部物质，当初都集中在一个宇宙的全部物质，当初都集中在一个“原始原原始原子子”(或称宇宙蛋或称宇宙蛋)里，异常紧密，绝对温度里，异常紧密，绝对温度1亿亿亿亿度亿亿亿亿度,显然显然这只能维持极其暂短的平衡，一旦平衡

5、破坏，就发生大爆炸，这只能维持极其暂短的平衡，一旦平衡破坏，就发生大爆炸，原子迅速膨胀，逐渐扩展成为我们的宇宙。原子迅速膨胀，逐渐扩展成为我们的宇宙。 l大爆炸后大爆炸后1秒钟，温度降到秒钟，温度降到1010K，粒子间的强相互作用、，粒子间的强相互作用、弱相互作用、电磁力和引力开始分开。弱相互作用、电磁力和引力开始分开。l在高温下处于基本粒子状态的物质，随着温度的降低，聚合在高温下处于基本粒子状态的物质，随着温度的降低，聚合成各类原子。约在大爆炸后成各类原子。约在大爆炸后50-100万年首先由电子和质子合成万年首先由电子和质子合成氢原子接着是氦原子也大量生成了随后其他所有元素的原子从氢原子接着

6、是氦原子也大量生成了随后其他所有元素的原子从轻到重依次聚合而成。轻到重依次聚合而成。l爆炸后爆炸后100万年到万年到20亿年逐步形成各类天体星系，恒星最初亿年逐步形成各类天体星系，恒星最初由弥漫稀薄的气体和尘埃（星云）经过凝聚、加热过程而形成。由弥漫稀薄的气体和尘埃（星云）经过凝聚、加热过程而形成。l大爆炸发生约大爆炸发生约100亿年之后亿年之后 太阳系出现。太阳系出现。科学界普遍认为，宇宙诞生于距今约亿年前的科学界普遍认为，宇宙诞生于距今约亿年前的“大爆炸大爆炸”。在。在“大爆炸大爆炸”后的亿年中，宇宙处于黑暗和冷寂状态，随后第一批恒星以及星系开始产生。后的亿年中，宇宙处于黑暗和冷寂状态，随

7、后第一批恒星以及星系开始产生。“哈勃哈勃”新拍下的照片捕获到的正是宇宙中首批星系所发出的光芒。新拍下的照片捕获到的正是宇宙中首批星系所发出的光芒。 太阳系行星的发现战国中期天文学家石申系统地战国中期天文学家石申系统地观察了金、木、水、火、土五观察了金、木、水、火、土五大行星的运行，发现其出没的大行星的运行，发现其出没的规律，记录名字，测出恒星规律，记录名字，测出恒星138座，座，810个。他与甘德根据个。他与甘德根据黄道附近恒星位置及其与北极黄道附近恒星位置及其与北极的距离所制成的图表，是世界的距离所制成的图表，是世界上迄今为止发现最早的恒星表，上迄今为止发现最早的恒星表，著著天文天文8卷。卷

8、。 古希腊天文学家喜帕恰斯古希腊天文学家喜帕恰斯（Hipparchus），约在），约在公元前公元前2世纪编制过星表，世纪编制过星表，在他之前还有阿里斯提尔在他之前还有阿里斯提尔（Aristille）和提莫恰里）和提莫恰里斯（斯（Timocharis）也编）也编制过星表，但都不早于公制过星表，但都不早于公元前元前3世纪。世纪。 太阳系行星的发现 伽利略：意大利天文学家、力学家、哲学家、物理学家、数学家、伽利略：意大利天文学家、力学家、哲学家、物理学家、数学家、科学家。发明了天文望远镜。科学家。发明了天文望远镜。赫歇尔：英国天文学家，赫歇尔：英国天文学家，1781年，赫歇尔发现了年，赫歇尔发现了太

9、阳系太阳系中的第七中的第七颗行星颗行星天王星天王星，还发现了，还发现了土星土星的两颗的两颗卫星卫星和天王星的两颗卫星。和天王星的两颗卫星。 勒威耶勒威耶 ：法国数学家，发现了海王星。：法国数学家，发现了海王星。 地心说和日心说托勒密托勒密哥白尼哥白尼托勒密托勒密的宇宙体的宇宙体系系地心说地心说托勒密认为，地球处于托勒密认为，地球处于宇宙中心静止不动。从宇宙中心静止不动。从地球向外，依次有月球、地球向外，依次有月球、水星、金星、太阳、火水星、金星、太阳、火星、木星和土星，在各星、木星和土星，在各自的圆轨道上绕地球运自的圆轨道上绕地球运转。转。地心说的意义地心说的意义 在当时的历史条件下，托勒密提

10、出的行星体在当时的历史条件下，托勒密提出的行星体系学说，是具有进步意义的。系学说，是具有进步意义的。首先，它肯定了大首先，它肯定了大地是一个悬空着的没有支柱的球体。地是一个悬空着的没有支柱的球体。其次，其次，从恒从恒星天体上区分出行星和日月是离我们较近的一群星天体上区分出行星和日月是离我们较近的一群天体，这是把太阳系从众星中识别出来的关键性天体，这是把太阳系从众星中识别出来的关键性一步。一步。“地心说地心说”的提出否定了对宇宙天圆地方的提出否定了对宇宙天圆地方的认识，提出了地球作为一个天体存在于宇宙空的认识，提出了地球作为一个天体存在于宇宙空间的观点。间的观点。 不足不足:地球是宇宙的中心吗地

11、球是宇宙的中心吗?哥白尼与哥白尼与“日心说日心说”15431543年，波兰天文学年，波兰天文学家家哥白尼哥白尼在临终时发表了在临终时发表了一部具有历史意义的著一部具有历史意义的著作作天体运行论天体运行论，完整地提出了完整地提出了“日心说日心说”理论。这个理论体系认为，理论。这个理论体系认为，太阳是行星系统的中心，太阳是行星系统的中心，一切行星都绕太阳旋转。一切行星都绕太阳旋转。地球也是一颗行星，它上地球也是一颗行星，它上面像陀螺一样自转，一面面像陀螺一样自转，一面又和其他行星一样围绕太又和其他行星一样围绕太阳转动。阳转动。哥白尼的日心说的缺陷：哥白尼的日心说的缺陷：1、认为太阳是宇宙的中心、认

12、为太阳是宇宙的中心2、沿用了行星在圆形轨道上做匀速圆周运动，、沿用了行星在圆形轨道上做匀速圆周运动，实际上行星轨道是实际上行星轨道是椭圆形椭圆形的的l太阳是一颗普通的恒星太阳是一颗普通的恒星。在太。在太阳周围包括其他一些小天体阳周围包括其他一些小天体,组组成了以太阳为主体的集团成了以太阳为主体的集团,就是就是太阳系。太阳系是由太阳、行星太阳系。太阳系是由太阳、行星及其卫星、小行星、彗星、流星及其卫星、小行星、彗星、流星体和星际物质构成的天体系统。体和星际物质构成的天体系统。l太阳是太阳系的中心天体太阳是太阳系的中心天体,其他其他天体在太阳的引力作用下天体在太阳的引力作用下,绕着绕着太阳运动太阳

13、运动。同时。同时, 太阳系也在宇太阳系也在宇宙中运动。太阳系就是在太阳的宙中运动。太阳系就是在太阳的主宰下主宰下,因其引力作用因其引力作用,在一定的在一定的空间范围内空间范围内,形成的具有一定组形成的具有一定组成成分和结构特征的天体系统。成成分和结构特征的天体系统。日冕：日冕： 太阳大气的最外层稀薄部分太阳大气的最外层稀薄部分, ,由太阳表面伸展出数百万公里由太阳表面伸展出数百万公里, ,包含着包含着铁、镍和其他气体的极高度电离的原子铁、镍和其他气体的极高度电离的原子, ,这表明温度有几百万度这表明温度有几百万度, ,日全食日全食时肉眼观看它的外貌像是环绕月亮黑色圆盘的珍珠灰色光环时肉眼观看它

14、的外貌像是环绕月亮黑色圆盘的珍珠灰色光环, ,但在其他时但在其他时候要用日冕仪才可观测到。候要用日冕仪才可观测到。日冕太阳黑子图片光谱分析：光谱分析：73种元素，种元素，H：71% ，He：26.5%，O+C+N+Ne:2%;Mg,Ni,Si,S,Fe,Ca 0.14%.光球层：厚光球层：厚300km,5500oC, 0.01g/ cm3.色球层：厚色球层：厚3000-5000km，日全食时呈玫瑰红色，日全食时呈玫瑰红色，可达可达100万度万度K.日冕：最外层的稀薄等离子体太阳风大气层，日冕：最外层的稀薄等离子体太阳风大气层，d=10-12g/ cm3 . 100万万K,800km/s,400

15、km/s黑子：直径黑子：直径2000-10000km，4200oC，具极强磁，具极强磁场；对气候与生态变化的影响有场；对气候与生态变化的影响有11年周期年周期.耀斑：在黑子群上空的亮点出现在色球层中，耀斑：在黑子群上空的亮点出现在色球层中，n秒秒钟内可扩大成纤维云状物，直径钟内可扩大成纤维云状物，直径10万万km，T 1.5万万-100万度万度.水星及其表面图片地球与月球航天飞机摄影图片“非洲角”火星图片火星图片火星 体积和质量最大体积和质量最大 卫星较多卫星较多 巨大的气态行星巨大的气态行星 外层：分子氢外层：分子氢 往下：液体氢，在云顶以下往下：液体氢，在云顶以下1000010000公里处

16、，液体氢的公里处，液体氢的压力是压力是1000000bar,1000000bar,温度为温度为6000K6000K；在这种状态下，；在这种状态下，氢变成液态金属氢；氢变成液态金属氢； 在金属氢中，氢原子被分解成质子和电子；在金属氢中，氢原子被分解成质子和电子； 中心是约中心是约1010个地球质量的固体核。个地球质量的固体核。 总数量：总数量：63颗（仅在颗（仅在2003年就发现有年就发现有23颗）颗） 伽利略卫星：伽利略卫星：4颗，轨颗，轨道的偏心率和轨道倾角道的偏心率和轨道倾角小，质量比较大；小，质量比较大；旅行者旅行者 2号的发现：号的发现：磁场：磁轴与自转轴的夹角约为磁场：磁轴与自转轴的

17、夹角约为50度；度；海卫海卫1，海卫，海卫2之外还有之外还有6颗卫星（呈碎块状）颗卫星（呈碎块状）。 慧核，慧发：慧核，慧发： 固体固体C,冰冻水，冰冻水，CH4,NH3等等 慧尾慧尾 CO+,N2+,CO2+狮子座流星雨共面性、近圆性和同向性。共面性、近圆性和同向性。共面性、近圆性和同向性。共面性、近圆性和同向性。 体积体积 密度密度 卫星卫星 表面表面 主要元素主要元素 类地行星类地行星 小小 大大 少少 固固 Fe,Mg,Si,K,Ca, Al,Ti,Ni 类木行星类木行星 大大 小小 多多 非固非固 H,He,CH4,氨冰氨冰 水冰水冰an+1/an=c1.7；an =0.4+0.3

18、2 n-2 UA 1UA=147.5 106km 表3.1 波得定律与观测值比较 行星行星 n 观测值观测值 计算值计算值 水星水星 无穷无穷 0.387 0.4 金星金星 2 0.723 0.7 地球地球 3 1.000 1.0 火星火星 4 1.523 1.6（小行星）（小行星） 5 2.7 2.8 木星木星 6 5.203 5.2 土星土星 7 9.52 10.0（天王星）（天王星） 8 19.2 19.6（海王星）（海王星） 9 30.2 38.8（冥王星）（冥王星） 10 39.5 77.2 *（ 上表中括号内为定律提出后发现）上表中括号内为定律提出后发现）DistanceDista

19、nce(AU)(AU)RadiusRadius(Earths) (Earths) MassMass(Earths) (Earths) RotationRotation(Earths)(Earths) # Moons # Moons OrbitalOrbitalInclination Inclination OrbitalOrbitalEccentricity Eccentricity Obliquity Obliquity DensityDensity(g/cm3) (g/cm3) Sun 0 0 109 109 332,80332,800 0 25.3625.36* * - - - - -

20、- 1.410 1.410 MercurMercury y 0.39 0.39 0.38 0.38 0.05 0.05 58.8 58.8 0 0 7 7 0.2056 0.2056 0.10.1 5.43 5.43 Venus Venus 0.72 0.72 0.95 0.95 0.89 0.89 244 244 0 0 3.394 3.394 0.0068 0.0068 177.4177.4 5.25 5.25 Earth Earth 1.0 1.0 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1 1 0.000 0.000 0.0167 0.0167 23.4523.45

21、 5.52 5.52 Mars Mars 1.5 1.5 0.53 0.53 0.11 0.11 1.029 1.029 2 2 1.850 1.850 0.0934 0.0934 25.1925.19 3.95 3.95 Jupiter Jupiter 5.2 5.2 11 11 318 318 0.411 0.411 23 23 1.308 1.308 0.0483 0.0483 3.123.12 1.33 1.33 Saturn Saturn 9.5 9.5 9 9 95 95 0.428 0.428 18 18 2.488 2.488 0.0560 0.0560 26.7326.73

22、0.69 0.69 UranuUranus s 19.2 19.2 4 4 17 17 0.748 0.748 15 15 0.774 0.774 0.0461 0.0461 97.8697.86 1.29 1.29 NeptuNeptune ne 30.1 30.1 4 4 17 17 0.802 0.802 8 8 1.774 1.774 0.0097 0.0097 29.5629.56 1.64 1.64 Pluto Pluto 39.5 39.5 0.18 0.18 0.002 0.002 0.267 0.267 1 1 17.15 17.15 0.2482 0.2482 119.61

23、19.6 2.03 2.03 太阳系主要成员的基本特征太阳系主要成员的基本特征l在火星与木星之间的波德间隔在火星与木星之间的波德间隔,把行星分为类地行星把行星分为类地行星和类木行星两组。和类木行星两组。l尽管太阳占整个太阳系全部质量的尽管太阳占整个太阳系全部质量的99,但它却只提但它却只提供供2的的角动量角动量,而行星的角动量却占而行星的角动量却占98左右。左右。l根据对地球岩石、月岩和由星际空间落在地球上的根据对地球岩石、月岩和由星际空间落在地球上的陨石进行化学分折陨石进行化学分折,推断类地行星大部分推断类地行星大部分(90)是由铁、是由铁、氧、硅、和镁四种元素组成的，对太阳的光谱研究表氧、

24、硅、和镁四种元素组成的，对太阳的光谱研究表明：它几乎明：它几乎(99)是由氢和氧组成，据推测，高丰度是由氢和氧组成，据推测，高丰度的氢和氧是类木行星的特点。而地球与太阳的硅、镁、的氢和氧是类木行星的特点。而地球与太阳的硅、镁、铁等元素的丰度则惊人地相似铁等元素的丰度则惊人地相似 。 太阳系天体的自转太阳系天体的自转 行星的自转可分两种情况，类地星自转速率差异较大，金星需行星的自转可分两种情况，类地星自转速率差异较大，金星需244244天，天，火星只需火星只需1.031.03天；巨行星和远日星自转较快，均不到天；巨行星和远日星自转较快，均不到1 1天。天。 太阳自转有太阳自转有“赤道加速赤道加速

25、”现象，即赤道处自转约现象，即赤道处自转约25.425.4天，两极附近天，两极附近约约3535天，其内部旋转速度更快，可能比表面快十几甚至几十倍。天，其内部旋转速度更快，可能比表面快十几甚至几十倍。 质量与密度分布特征质量与密度分布特征 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，即若将行星分为三类，即 类地星（水星、金星、地球、火星）、巨行星（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、海王星、冥王星），则有木星、土星）和远日星（天王星、海王

26、星、冥王星），则有 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 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I.KantP. S. Laplace太阳系起源理论：太阳系起源理论：太阳系起源理论可分成两种主要太阳系起源理论可分成两种主要类型：一种认为起源是逐渐演化类型：一种认为起源是逐渐演化的结果；另一种则把起源归因于的结果；另一种则把起源归因于某种激变的作用，通常假定在遥某种激变的作用，通常假定在遥远的过去太阳与恒星相遇。远的过去太阳与恒星相遇。1. 星云说星云说2俘获说俘获说3碰撞说碰撞说4潮汐说潮汐说5电磁说电磁说新星云说新星云说1755年年,自然通史和天体

27、理论自然通史和天体理论 1796年年, 宇宙体系论宇宙体系论 2. 俘获说：俘获说： 3. 碰撞说：碰撞说： 4. 潮汐说：潮汐说： 1942年年,瑞典磁流体学瑞典磁流体学家阿尔芬提出家阿尔芬提出 “电磁说电磁说”, 用磁耦合机制说明角动量用磁耦合机制说明角动量的特殊分布。的特殊分布。1962年，法年，法国天文学家沙兹曼提出太国天文学家沙兹曼提出太阳演化早期抛射带电粒子阳演化早期抛射带电粒子,它们在太阳磁场作用下运它们在太阳磁场作用下运动动,能有效转移掉太阳角动能有效转移掉太阳角动量量,即即“沙兹曼机制沙兹曼机制” 。1972年年,霍伊尔从经典的星霍伊尔从经典的星云假说出发云假说出发,考虑星际

28、空间考虑星际空间的磁场作用的磁场作用,定量地计算了定量地计算了太阳和行星的角动量太阳和行星的角动量,有效有效地解释了太阳系特殊的角地解释了太阳系特殊的角动量问题。动量问题。 原始太阳星云为自大星际云原始太阳星云为自大星际云瓦解出的一块小云。它的温度不瓦解出的一块小云。它的温度不高高,有一定的初始角动量和自转有一定的初始角动量和自转,在在自吸引作用下收缩自吸引作用下收缩,中心部分形成中心部分形成太阳太阳,外部扁化为星云盘。星云盘外部扁化为星云盘。星云盘中含有气体、尘埃和冰的固体颗中含有气体、尘埃和冰的固体颗粒粒,主要由这些固态物质集聚成行主要由这些固态物质集聚成行星和卫星。星和卫星。 星云图片星

29、云图片1324 原始星云原始星云星云盘星云盘尘层尘层星子星子行星行星 原始星云由一块星际云塌缩并瓦解而成。考虑星际云的塌缩原始星云由一块星际云塌缩并瓦解而成。考虑星际云的塌缩, 要用到研究物要用到研究物质团收缩和膨胀的一个重要物理定理质团收缩和膨胀的一个重要物理定理维里定理维里定理,所要分析的是使物质团所要分析的是使物质团膨胀的能量膨胀的能量(如分子热运动热能如分子热运动热能)和使其收缩的能量和使其收缩的能量(如引力位势如引力位势)是否平衡。是否平衡。 当膨胀时当膨胀时 当收缩时当收缩时 星际云聚集的条件：星际云聚集的条件： 取取 =10-22g/cm3,T=50K, =2.4,N=0(星云内

30、均匀星云内均匀),并取并取M01.99 1033g（太（太阳现质量）阳现质量）,则可得出如下的星际云自吸引塌缩条件：则可得出如下的星际云自吸引塌缩条件：02U02U03M1044. 2M0U2U热能引力势能原始星云继续塌缩原始星云继续塌缩,半径逐渐减小半径逐渐减小,因角动量守恒因角动量守恒,造成自转速度增大。造成自转速度增大。随着自转速度增大随着自转速度增大,在赤道面上的外边缘物质在赤道面上的外边缘物质,当其惯性离心力与中心部当其惯性离心力与中心部分引力相抗衡时分引力相抗衡时,便停下来便停下来,逐渐形成赤道面凸起的星云盘。星云盘形成逐渐形成赤道面凸起的星云盘。星云盘形成的同时的同时,云盘中心的

31、原始太阳亦形成云盘中心的原始太阳亦形成。 2221) ra (GMmF,) ra (GMmF两个小球之间还存在引力两个小球之间还存在引力,大小为大小为:2212r4Gmf 当两个小球在大球的作用下聚集时当两个小球在大球的作用下聚集时,大球作用于靠近它的小球大球作用于靠近它的小球1和和远离它的小球远离它的小球2的引力分为的引力分为:2112FFf有有)a/M(430或或)a/M(30（1）星云盘温度）星云盘温度: 云盘温度由太阳幅射云盘温度由太阳幅射L、云盘消光、云盘消光(r)和云盘热幅射和云盘热幅射 sT4(r)决定决定,即可建立即可建立能量平衡方程能量平衡方程: ) r (Tr4Le4S2)

32、 r () r /r (T) r (T00两个小球聚集而两个小球聚集而分开的条件是分开的条件是:由此可以得到温度分布由此可以得到温度分布: 式中式中r0r0为日地距离为日地距离,T0,T0为该处温度：为该处温度：T0T0544K,544K,由此可以推算出由此可以推算出, ,云盘内界温云盘内界温 度为度为1900K,1900K,云盘外界温度为云盘外界温度为15K15K。（2）星云盘厚度）星云盘厚度: 在云盘内在云盘内,离太阳距离为离太阳距离为r、离赤道面距离为、离赤道面距离为z处处,在云盘自转轴在云盘自转轴(z轴轴)方向方向上上,受到三种力的作用受到三种力的作用太阳引力、云盘引力和气体压力。当云

33、盘密度太阳引力、云盘引力和气体压力。当云盘密度比罗奇密度小几倍时比罗奇密度小几倍时,云盘引力可以不计云盘引力可以不计,因此在因此在z方向上处于流体静平衡方向上处于流体静平衡状态状态,即即:gdz/dp假定云盘厚度远远小于云盘尺度，假定云盘厚度远远小于云盘尺度，zr，可求得云盘厚度，可求得云盘厚度 ：r)GMmrKT2()r(h2/10H00（3）星云盘的密度）星云盘的密度 :设星云盘内密度分布为：设星云盘内密度分布为：)r (h/zexp() r ()z , r (220物质沿物质沿z轴方向无限伸展轴方向无限伸展, 积分可建立面密度积分可建立面密度 0(r)：) r (h) r (866. 0

34、2dze) r (2dz)z , r (2) r (00) r (h/z00022特征密度特征密度 ：) r (866. 0) r (h2/ ) r () r (00 此外此外,星云盘的化学组成星云盘的化学组成,可由星云的厚度、温度、密度等物理条可由星云的厚度、温度、密度等物理条件加以说明。在云盘的不同区域件加以说明。在云盘的不同区域,因条件不同因条件不同,出现的凝聚成分会有不同。出现的凝聚成分会有不同。 云盘中尘粒和气体一起绕太阳转动云盘中尘粒和气体一起绕太阳转动,同时也做布朗运动同时也做布朗运动,彼此发生碰撞彼此发生碰撞,结结合成颗粒合成颗粒(碰撞吸积碰撞吸积),并在引力并在引力z方向分量

35、作用下方向分量作用下,颗粒克服气体阻力颗粒克服气体阻力,向赤向赤道沉降道沉降,逐渐形成尘层。逐渐形成尘层。scVdt/dm 设碰撞吸积的质量生长率设碰撞吸积的质量生长率dm/dt为为:则沉降时间的近似公式为：则沉降时间的近似公式为：7/27/214/900r)g/3()a250/1 ()r / r (t /t由上式估计，内区的沉降时间为由上式估计，内区的沉降时间为4.5 104年年,外区的沉降时间为外区的沉降时间为6.2 104年年,而地球区域的沉降时间为而地球区域的沉降时间为8.5 104年。年。尘层厚度难以计算，若尘层物质达到罗奇密度尘层厚度难以计算，若尘层物质达到罗奇密度,那么尘层厚度为

36、那么尘层厚度为106cm(内内区区)和和108 cm (外区外区)。另外。另外,尘层内颗粒大小尘层内颗粒大小,可以生长到可以生长到3.4cm(内区内区)和和0.04cm(外区外区), 与陨石颗粒大小量级符合。与陨石颗粒大小量级符合。 按现今行星总质量来计算尘层的面密度,所得结果下表:行星区行星区水星区水星区金星区金星区地球区地球区火星区火星区木星区木星区土星区土星区天王星天王星区区海王星海王星区区面密度面密度/g/g3.083.0813.913.97.827.820.1170.11752.852.84.274.270.3570.3570.170.17 尘层的物质密度已足够大尘层的物质密度已足够

37、大,局部扰动会导致引力不稳定性局部扰动会导致引力不稳定性,使尘层瓦解为使尘层瓦解为许多物质团。物质团的密度随时间而指数增长，当物质团的密度超过罗奇密许多物质团。物质团的密度随时间而指数增长，当物质团的密度超过罗奇密度时度时,就可以自吸引塌缩就可以自吸引塌缩,聚集成固体块聚集成固体块星子。可得出如下不稳定条件：星子。可得出如下不稳定条件：上上下下 当扰动尺度小于上界当扰动尺度小于上界 上上,大于下界大于下界 下时下时, 出现引力不稳定。据估计出现引力不稳定。据估计,整整个尘层内部都满足条件个尘层内部都满足条件,因而尘层瓦解为许多物质团。瓦解之后的星子质量因而尘层瓦解为许多物质团。瓦解之后的星子质

38、量估计为估计为1018g(内区内区)到到1020g(外区外区)。各物质团自吸引收缩。各物质团自吸引收缩,很快形成星子。估很快形成星子。估计地球处由物质团形成星子的时间为计地球处由物质团形成星子的时间为104年年,木星处的时间为木星处的时间为106年。年。 初始星子除绕太阳作开普勒运动外初始星子除绕太阳作开普勒运动外,还有随机运动。星子相遇和碰撞，还有随机运动。星子相遇和碰撞，发生结合或者碎裂。实验表明发生结合或者碎裂。实验表明,相对速度小于相对速度小于0.5km/s的星子碰撞的星子碰撞,其结果其结果总是结合总是结合,相对速度大于相对速度大于1km/s的星子碰撞的星子碰撞,其结果可能发生碎裂。前

39、者其结果可能发生碎裂。前者成为更大星子成为更大星子,后者成为更小星子。大星子引力较强后者成为更小星子。大星子引力较强,更有效地吸积周围更有效地吸积周围的物质和小星子的物质和小星子(引力吸积引力吸积),迅速成长。小星子引力较弱迅速成长。小星子引力较弱,吸积残余尘粒而吸积残余尘粒而缓慢生长。较大星子因为自身引力场强缓慢生长。较大星子因为自身引力场强,由碰撞聚积为主过渡到引力吸由碰撞聚积为主过渡到引力吸积为主。物质不断集聚到大星子上积为主。物质不断集聚到大星子上,使其生长更快更大使其生长更快更大,最大星子成为行最大星子成为行星胎。星胎。 由于多体问题尚未解决由于多体问题尚未解决,因此行星形成的具体计

40、算和描述就更难了。因此行星形成的具体计算和描述就更难了。 由星子结合成行星的时间由星子结合成行星的时间,不同学者估算的差别较大。据戴文赛先生不同学者估算的差别较大。据戴文赛先生估计估计,地球形成时间为地球形成时间为106107年年,木星木星(固体核固体核)形成时间为形成时间为107年年,水星为水星为104106年。这与陨星母体的形成时间为几千万年大致相符。年。这与陨星母体的形成时间为几千万年大致相符。 行星可分三类：类地行星行星可分三类：类地行星,巨行星和远日行星。各行星的质量、半径和巨行星和远日行星。各行星的质量、半径和密度列于下表。显然密度列于下表。显然,行星的大小和质量分布待征是两头小、

41、中间大行星的大小和质量分布待征是两头小、中间大,行行星的密度分布特征是类地行星大、巨行星小、远日行星居中星的密度分布特征是类地行星大、巨行星小、远日行星居中,这种分布这种分布特征是行星形成总过程的必然结果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差反映了各类行星在形成条件上的差别。别。 表 行星系列的某些特征行星系列的某些特征行星系列的某些特征 下表给出太阳系各行星的轨道半长轴下表给出太阳系各行星的轨道半长轴an的观测值及相邻行星的的观测值及相邻行星的an+1/an比值，同时还给出了戴文赛先生的理论计算结果。比值，同时还给出了戴文赛先生的理论计算结果。 利用利用“沙兹曼机制沙

42、兹曼机制”。概括地说。概括地说,一个一个冷的冷的、自转的自转的原始原始星云星云因自因自吸引而收缩吸引而收缩,中部形成太阳中部形成太阳,外部形成星云盘外部形成星云盘,凝聚的固体颗粒沉降到云盘凝聚的固体颗粒沉降到云盘中面中面(赤道面赤道面)形成尘层。尘层各区的物理形成尘层。尘层各区的物理化学条件不同。当尘层的物化学条件不同。当尘层的物质密度足够大质密度足够大,可以发生引力不稳定性而瓦解为许多物质团。这些物质团可以发生引力不稳定性而瓦解为许多物质团。这些物质团集聚为星子集聚为星子,星子又因吸积而集聚成行星。这就是太阳系形成的一般轮廓星子又因吸积而集聚成行星。这就是太阳系形成的一般轮廓,也是行星形成过

43、程的共性。也是行星形成过程的共性。 尘埃向中心聚集的过尘埃向中心聚集的过程中，由于引力吸积能、放程中，由于引力吸积能、放射性元素的衰变能及陨石的射性元素的衰变能及陨石的撞击等，会释放出大量的热撞击等，会释放出大量的热量。地球内部温度逐渐增高量。地球内部温度逐渐增高, 当温度高到一定程度当温度高到一定程度,以致以致地内物质具有足够的可塑性地内物质具有足够的可塑性时时,就开始了重力作用下的就开始了重力作用下的分异过程。分异过程。 地球内部物质发生部分地球内部物质发生部分熔融，硅酸物质具有低密熔融，硅酸物质具有低密度和和高熔点度和和高熔点,铁和镍具有铁和镍具有高密度和低熔点，出现了高密度和低熔点，出

44、现了大规模的物质分异和迁移，大规模的物质分异和迁移，形成了从里向外，物质密形成了从里向外，物质密度从大到小的圈层结构。度从大到小的圈层结构。铁、镍向中心聚集，形成铁、镍向中心聚集，形成地核；较轻的硅酸盐物质地核；较轻的硅酸盐物质形成地幔。形成地幔。 地核和地幔形成后地核和地幔形成后,地球表层是地球表层是熔融的。在距今熔融的。在距今4046亿年前，表亿年前，表层开始冷却分异层开始冷却分异,形成全球性的原始形成全球性的原始地壳地壳大陆地壳。在距今大陆地壳。在距今3040亿亿年前，类地行星都受到星子撞击，年前，类地行星都受到星子撞击，在受撞击的集中区域下，造成地幔在受撞击的集中区域下，造成地幔熔化，

45、并发生玄武岩喷发，排出大熔化，并发生玄武岩喷发，排出大量岩浆和气体，从而改变原始地壳量岩浆和气体，从而改变原始地壳的成分，形成原始大洋地壳。原始的成分，形成原始大洋地壳。原始大陆地壳由于部分熔化、再次活化大陆地壳由于部分熔化、再次活化和岩浆侵入等作用，进一步和岩浆侵入等作用，进一步发生分异，形成由变质岩岩浆组成的下地壳和由花岗闪长岩组发生分异，形成由变质岩岩浆组成的下地壳和由花岗闪长岩组成的上地壳。成的上地壳。 地球形成过程中形成地球形成过程中形成原始大气原始大气，主要由一氧化碳、氢和水组成，已全主要由一氧化碳、氢和水组成，已全部或大部溢出地球。后来部或大部溢出地球。后来, 从地球内从地球内部

46、溢出的气体形成部溢出的气体形成“第二代第二代”大气，大气，主要成分是二氧化碳主要成分是二氧化碳,一氧化碳、甲一氧化碳、甲烷、氨和水烷、氨和水, 称为称为还原大气还原大气。地球内。地球内部的地幔分异作用、太阳辐射、绿色部的地幔分异作用、太阳辐射、绿色植物的光合作用等使还原大气中的许植物的光合作用等使还原大气中的许多气多气体被氧化或向空间散逸体被氧化或向空间散逸,有的转入到固体有的转入到固体液体地球液体地球, 逐渐演变逐渐演变成现代的成现代的氧化大气氧化大气。 地球形成过程中地球形成过程中,星子碰撞后放出的水星子碰撞后放出的水,火山岩浆活动产生火山岩浆活动产生的水的水,以及地球大气中凝聚的水以及地

47、球大气中凝聚的水, 流入海洋地壳流入海洋地壳(星子撞击坑星子撞击坑),形形成地球表面的海洋成地球表面的海洋(水圈水圈)。 l 进入地质时代以后进入地质时代以后,地球的圈层分异过程主要限于地壳和地表。地球的圈层分异过程主要限于地壳和地表。l 地壳和地面的变化是各圈层相互作用的结果。在外面受到水圈地壳和地面的变化是各圈层相互作用的结果。在外面受到水圈和大气圈的作用和大气圈的作用,在里面受到地幔的作用。地表的变化在里面受到地幔的作用。地表的变化,最明显最明显的是海陆分布的变化。海洋可以变成陆地的是海陆分布的变化。海洋可以变成陆地,也可以变成高山也可以变成高山,随随着海洋变成陆地、甚至高山着海洋变成陆

48、地、甚至高山,沉积层变形沉积层变形,形成了褶皱形成了褶皱,甚至出现甚至出现断裂。断裂。l 地壳运动最明显的是火山和地震。火山与地下的岩浆活动相联地壳运动最明显的是火山和地震。火山与地下的岩浆活动相联系系,火山的熔岩来自地壳下部和地幔上部。地震同地层断裂相火山的熔岩来自地壳下部和地幔上部。地震同地层断裂相联系联系,大陆地震主要发生在地壳的上部和中部。火山和地震是大陆地震主要发生在地壳的上部和中部。火山和地震是地壳不停运动的剧烈表现形式地壳不停运动的剧烈表现形式,而海陆变迁则是地壳不停运动而海陆变迁则是地壳不停运动的缓慢表现形式。的缓慢表现形式。l 造成地壳和地表变化的原因造成地壳和地表变化的原因,除上述内力和外力外除上述内力和外力外,还包括象地还包括象地球自转速度变化的惯性力。总之球自转速度变化的惯性力。总之,这些力造成地球整体和各个这些力造成地球整体和各个圈层的变化圈层的变化,可统称为地球动力。可统称为地球动力。 :1.地球形成期地球形成期(约约46亿年前亿年前) 星云物质在旋转中向核心凝聚星云物质在旋转中向核心凝聚,产生产生强烈的核反应强烈的核反应,并不断地发生塌缩作用。并不断地发生塌缩作用。 2.放射熔融期放射熔融期(4145亿年前亿年前) 大约在大约在40亿年前后，越来越多的较亿