chap2地球简史

1、第二章第二章 行星地球简史行星地球简史本章主要内容：本章主要内容：宇宙的起源宇宙的起源太阳系的形成太阳系的形成地球的诞生与演化地球的诞生与演化一、宇宙的起源一、宇宙的起源宇宙是如何形成的？宇宙是如何形成的？宇宙是何时形成的？宇宙是何时形成的？人们一直在探询这些人们一直在探询这些问题的答案问题的答案 直至现在！直至现在！Edwin Hubble (1889-1953)哈勃根据他和同事对大哈勃根据他和同事对大量河外星系的观测资料量河外星系的观测资料提出：提出： 几乎所有星系都正在几乎所有星系都正在离我们（地球）远去离我们（地球）远去 相距我们越远的星系，相距我们越远的星系，其其背行背行速度越快速度

2、越快宇宙正在膨胀！宇宙正在膨胀！架设在加利福尼亚架设在加利福尼亚WilsonWilson山顶的山顶的 Hooker Hooker 天文望远镜。在天文望远镜。在 1917- 1917-19471947年间它一直是世界上最大的年间它一直是世界上最大的天文望远镜。天文望远镜。 爱因斯坦的广义相对论爱因斯坦的广义相对论 早已预测了宇宙膨胀早已预测了宇宙膨胀 哈勃的观察结果验证了哈勃的观察结果验证了 这一预测的正确性这一预测的正确性电磁波光谱电磁波光谱可穿透地球可穿透地球的大气圈？的大气圈？波长（米）波长（米）频率（频率（Hz）发出波的物体发出波的物体的温度（的温度（K）近似尺寸近似尺寸无线电无线电微微

3、 波波红红 外外可见光可见光紫紫 外外X射线射线伽玛射线伽玛射线建筑物建筑物人人蜜蜂蜜蜂针尖针尖原生动物原生动物分子分子原子原子原子核原子核如何知道星系正在离我们远去？红移效应如何知道星系正在离我们远去？红移效应到达该观察者的光波扩展到达该观察者的光波扩展成较长的成较长的“红移红移”波长波长到达该观察者的光波压缩到达该观察者的光波压缩成较短的成较短的“蓝移蓝移”波长波长该观察者看不到该观察者看不到偏移效应偏移效应移动的光源移动的光源 空间本身在膨胀，而不是物体飞离彼此空间本身在膨胀，而不是物体飞离彼此. . 例子例子: : 葡萄干面包葡萄干面包 爬在正被吹涨的气球上的蚂蚁爬在正被吹涨的气球上的

4、蚂蚁n这并不意味着我们处于宇宙的中心这并不意味着我们处于宇宙的中心n在宇宙中的任何一个地方都看到所有在宇宙中的任何一个地方都看到所有物体都正在飞离而去物体都正在飞离而去膨胀着的宇宙膨胀着的宇宙 HubbleHubble发现星系发现星系“红移红移”的程度与其离我们的距离成正比，的程度与其离我们的距离成正比， 即距离越远，红移量越大。即距离越远，红移量越大。 因此，测量其红移量就可知道星系离我们的距离。因此，测量其红移量就可知道星系离我们的距离。 记住：光从星系传到我们眼中是需要时间的。记住：光从星系传到我们眼中是需要时间的。 光的传播速度：光的传播速度：3030万公里万公里/ /秒秒 所以我们所

5、看到的星系是它们过去某个时刻的样子。所以我们所看到的星系是它们过去某个时刻的样子。 所看到的星系离我们越远，我们所所看到的星系离我们越远，我们所“回望到的过去回望到的过去”就越就越早。早。 因此红移量越大，表示距今越久远。因此红移量越大，表示距今越久远。 穿越时空穿越时空 回望回望过去过去 如果所有的星系都正在背行而去，那么在过去它们相互如果所有的星系都正在背行而去，那么在过去它们相互 间应离得较近。间应离得较近。 如此一直追溯到初始，就意味着一切的一切都始于同一如此一直追溯到初始，就意味着一切的一切都始于同一 个起点。个起点。 然后开始膨胀开来然后开始膨胀开来 这个起点被称为这个起点被称为“

6、大爆炸大爆炸”（the Big Bangthe Big Bang）。）。穿越时空穿越时空 回想回想过去过去大 爆 炸 与 宇 宙 的 形 成大 爆 炸 与 宇 宙 的 形 成 最初，宇宙的全部最初，宇宙的全部“物质物质”都集中在都集中在一个极度致密、温度极高的微粒（比一一个极度致密、温度极高的微粒（比一个质子还小得多）中。个质子还小得多）中。 然后空间开始膨胀然后空间开始膨胀 早期仍非常炽热和致密早期仍非常炽热和致密 充斥着黑体（充斥着黑体（blackbodyblackbody）辐射辐射 但因极其致密，光被吸收（不透明）但因极其致密，光被吸收（不透明） 温度最终降低到能够形成温度最终降低到能够

7、形成 H 原子原子 黑体辐射可自由传播了黑体辐射可自由传播了 ( 来自当时的光现在应存在于我们的四周、能够被检测到来自当时的光现在应存在于我们的四周、能够被检测到 3 3K K 背景辐射背景辐射) ) 随着温度的继续降低，依次聚合生成了氦及其它更重的原子。随着温度的继续降低，依次聚合生成了氦及其它更重的原子。 大爆炸大爆炸 2 2亿年（亿年（100 100 万年？）后，开始逐步形成各种天体星系。万年？）后，开始逐步形成各种天体星系。 v = H0 x d哈勃的原图哈勃的原图距离距离( (百万光年百万光年) )星星系系的的退退行行速速度度(Km/S)哈勃的数据哈勃的数据距星系的距离距星系的距离星

8、星系系的的退退行行速速度度计算宇宙的年龄计算宇宙的年龄哈勃定律哈勃定律（“退行速度与距离成正比退行速度与距离成正比”）d = v/H0但但 距离距离(d) = 速度速度(v)x 时间时间(t)thubble = 1/H0(t -膨胀持续的时间膨胀持续的时间 宇宙的年龄）宇宙的年龄）计算宇宙的年龄计算宇宙的年龄哈勃定律哈勃定律根据计算，从根据计算，从“大爆炸大爆炸”开始至开始至今，膨胀已持续了今，膨胀已持续了150150亿年左右亿年左右 宇宙的年龄宇宙的年龄宇宙的早期历史宇宙的早期历史 在大爆炸发生时，我们现今所知的在大爆炸发生时，我们现今所知的物质物质形式并不存在，存在形式并不存在，存在的只有

9、纯的的只有纯的能量能量。在。在 1 秒钟之内，四种基本力分离开来：秒钟之内，四种基本力分离开来： 重力：物体之间的相互引力重力：物体之间的相互引力 电磁力：将原子结合成分子；可由光子传导电磁力：将原子结合成分子；可由光子传导 强核力：将质子和中子结合成原子核强核力：将质子和中子结合成原子核 弱核力：将原子的原子核破坏，产生放射性衰变弱核力：将原子的原子核破坏，产生放射性衰变宇宙的早期历史宇宙的早期历史 3 分钟后，光子和中子开始聚分钟后，光子和中子开始聚合形成合形成氢氢和和氦氦的的原子核原子核。 大约大约 30 万年后，温度降到能万年后，温度降到能够形成完整的氢原子和氦原子。够形成完整的氢原子

10、和氦原子。 大约在同一时间，光子从物质大约在同一时间，光子从物质逸出，黑暗的原始宇宙中现出逸出，黑暗的原始宇宙中现出第一缕光芒第一缕光芒。 这一光线现已主要这一光线现已主要红移至微波区红移至微波区 （宇宙微波背景（宇宙微波背景CMBCMB） CMB CMB 最早发现于最早发现于19601960年代年代Penzias & Wilson(Penzias & Wilson(Bell Bell 实验室实验室) ) 获得获得19781978年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖比预测晚了比预测晚了 20 20 年年 COBECOBE人造卫星绘出了人造卫星绘出了CMBCMB图图测量了光谱测量了光谱理论与实际数据

11、之间吻合很好理论与实际数据之间吻合很好 温度温度 = 2.73 = 2.73K K大爆炸产生的大爆炸产生的宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射 Penzias and Wilson, 1965COBECOBE人造卫星绘出的人造卫星绘出的CMBCMB图（图（1992)1992)初始宇宙的第一幅详细的全景图（初始宇宙的第一幅详细的全景图（2003）这张由这张由WMAP太空探测器提供的图中揭示了太空探测器提供的图中揭示了130亿年以前的古温度波动（显示为颜色的亿年以前的古温度波动（显示为颜色的不同）。这种温度波动的型式包含了对许多古老问题不同）。这种温度波动的型式包含了对许多古老问题例如宇宙的年龄和宇宙

12、的形状例如宇宙的年龄和宇宙的形状的答案。的答案。老星系老星系最老的星系最老的星系最早的星光最早的星光第一缕光芒第一缕光芒探求探求“更早的过去更早的过去”LISA计划计划只有重力波能够逃离大爆炸的瞬间只有重力波能够逃离大爆炸的瞬间大爆炸后大爆炸后1043秒秒重力波重力波大爆炸后大爆炸后30万年万年大爆炸后大爆炸后150亿年亿年光光膨膨 胀胀大爆炸后大爆炸后1035秒秒宇宙微波背景宇宙微波背景探求探求“更早的过去更早的过去”LISA计划计划 美国宇航局欧洲太空总署美国宇航局欧洲太空总署 LISA：激光干涉仪太空天线激光干涉仪太空天线 探测对象：重力波探测对象：重力波 预计预计20102015年升空

13、年升空二、太阳系的形成二、太阳系的形成“星云说星云说”大爆炸产生的氢和氦以及星体大爆炸产生的氢和氦以及星体内的聚变反应或星体爆炸产生内的聚变反应或星体爆炸产生的较重元素形成了一团星云。的较重元素形成了一团星云。星云凝聚成一个中心为云球、星云凝聚成一个中心为云球、围绕以云环的旋转的圆盘。围绕以云环的旋转的圆盘。 位于盘中央的云球位于盘中央的云球变得不断致密和炽变得不断致密和炽热并开始发生聚变热并开始发生聚变反应初始太阳形反应初始太阳形成。尘埃（固体颗成。尘埃（固体颗粒）在环中凝聚下粒）在环中凝聚下来。来。凝聚物质的性质取决于温度：凝聚物质的性质取决于温度：在距太阳为在距太阳为地球地球以远处，温度

14、约以远处，温度约1500，凝聚了铁（熔点，凝聚了铁（熔点1538）和橄榄石（熔点）和橄榄石（熔点15001700）；在）；在木星木星所在的距所在的距离，凝聚了冰（熔点离，凝聚了冰（熔点0）和氨（熔点）和氨（熔点78）；在）；在海王星海王星所在的距离，凝聚了甲烷（熔点所在的距离，凝聚了甲烷（熔点182）。）。尘埃颗粒碰撞吸尘埃颗粒碰撞吸积，形成星子积，形成星子太阳系的形成：太阳系的形成： 46.5亿年前亿年前重力作用将原始重力作用将原始地球重塑成球形地球重塑成球形三、地球的诞生（三、地球的诞生（45.5亿年前）亿年前）星子通过不断碰撞吸积长大，逐步发育星子通过不断碰撞吸积长大，逐步发育成原始地球

15、。其内部温度升高并变软。成原始地球。其内部温度升高并变软。 地球形成的两种假说：地球形成的两种假说：1. 均匀吸积说均匀吸积说吸积形成一吸积形成一个大的星子个大的星子分异作用导分异作用导致物质分离致物质分离均质的原均质的原行星形成行星形成呈圈层的呈圈层的行星地球行星地球 地球形成的两种假说：地球形成的两种假说：2. 非均匀吸积说非均匀吸积说呈圈层的呈圈层的行星地球行星地球最后形成地壳最后形成地壳然后形成地幔然后形成地幔首先形成铁首先形成铁镍质地核镍质地核 月球的形成月球的形成 地球形成后不久，一颗小行星与之发生撞击地球形成后不久，一颗小行星与之发生撞击产生的碎屑形成围绕地球的碎屑环产生的碎屑形

16、成围绕地球的碎屑环由碎屑环形成了月球由碎屑环形成了月球关于月球成因的其它假说：关于月球成因的其它假说：（a a）月球形成于别处，然月球形成于别处，然后后 “ “漫游漫游”到了地球附近到了地球附近而被地球的引力所俘获。（而被地球的引力所俘获。（b b）月球是在太阳系形成早月球是在太阳系形成早期由环绕地球的松散物质凝期由环绕地球的松散物质凝聚而成的。（聚而成的。（c c）在地球早在地球早期仍处于熔融状态时，脱出期仍处于熔融状态时，脱出的一团熔融物质形成了月球的一团熔融物质形成了月球。 大气圈与海洋的形成大气圈与海洋的形成刚诞生的地球是裸露的固体刚诞生的地球是裸露的固体岩石表面，几乎没有大气圈岩石表

17、面，几乎没有大气圈,没有海洋。陨石撞击频繁、没有海洋。陨石撞击频繁、到处火山喷发到处火山喷发 大气圈与海洋的形成大气圈与海洋的形成原始大气圈的形成原始大气圈的形成 火山喷出气（主要为水蒸气和火山喷出气（主要为水蒸气和COCO2 2） 及少量及少量 N2, SO2, H2, H2S, CH4 彗星撞击（冰态的气体和冰）彗星撞击（冰态的气体和冰）海洋的形成海洋的形成 随着地球逐渐冷却，水蒸气冷凝、随着地球逐渐冷却，水蒸气冷凝、 成为降雨，海洋形成成为降雨，海洋形成 彗星撞击可能也提供了部分水源彗星撞击可能也提供了部分水源 生命的起源生命的起源 美国黄石国家公园美国黄石国家公园海底的黑烟囱海底的黑烟

18、囱最近的研究表明，地球上生命的最早共同祖先是最近的研究表明，地球上生命的最早共同祖先是嗜高温嗜高温细菌细菌，它们能够耐高达，它们能够耐高达110110的水温！的水温！地球上最古老的化石地球上最古老的化石? ? 在澳大利亚西部年龄为在澳大利亚西部年龄为3535亿年亿年的的 ApexApex 燧石层中发现的蓝绿燧石层中发现的蓝绿藻（藻（CyanobacteriaCyanobacteria） (?) (?) ( (据据BrassierBrassier等等, 2002, , 2002, Nature)Nature) 活的蓝绿藻活的蓝绿藻 地球大气圈的演化地球大气圈的演化 在距今在距今2525亿年前演化

19、出了行光合亿年前演化出了行光合 作用的细菌作用的细菌 CO2 + H2O + 光光 CH2O + O2有机质有机质 早期的早期的O2被铁的氧化作用消耗，被铁的氧化作用消耗， 形成了大量的条带状铁矿层形成了大量的条带状铁矿层 溶解铁溶解铁 + O2 氧化铁氧化铁 大气中的大量大气中的大量CO2被海水中的钙、被海水中的钙、 镁等固定下来，形成碳酸盐沉积镁等固定下来，形成碳酸盐沉积 大气中大气中O2的不断富集也导致形成了保护性的臭氧（的不断富集也导致形成了保护性的臭氧（O3）层，层，从而使后期演化出更为复杂的生物。从而使后期演化出更为复杂的生物。 寒武纪生物大爆发寒武纪生物大爆发- 5.45 5.4

20、5亿年前亿年前- 最早的带壳生物出现最早的带壳生物出现- 大量化石记录大量化石记录（云南澄江动物群（云南澄江动物群5.35.3亿年）亿年）寒武纪的三叶虫化石寒武纪的三叶虫化石古生代（古生代（545545245245mama）鱼的时代鱼的时代中生代（中生代（24524566.466.4mama）恐龙时代恐龙时代新生代（新生代（66.4 66.4 mama ）哺乳动物时代哺乳动物时代生物种群的数量生物种群的数量地质年代（百万年）地质年代（百万年） 伴随地球的演化，生物的多样性伴随地球的演化，生物的多样性 不断发展不断发展 发生过几次重要的生物发生过几次重要的生物集群绝灭集群绝灭（mass exti

21、nction）事件事件绝灭绝灭：一个物种从地球上永远消失，：一个物种从地球上永远消失，没有留下后裔。没有留下后裔。集群绝灭集群绝灭：在某个短时期内生物发：在某个短时期内生物发生大量绝灭，生物演化突然中断，生大量绝灭，生物演化突然中断，使绝灭率剧升，而新生率降到很低。使绝灭率剧升，而新生率降到很低。 造成地史上生物集群绝灭的可能原因造成地史上生物集群绝灭的可能原因全球性气候及环境剧变全球性气候及环境剧变陨星撞击陨星撞击剧烈的火山喷发剧烈的火山喷发From Murck et al. (1996)冲击波冲击波岩石蒸发岩石蒸发底部涌流底部涌流水蒸发水蒸发海啸海啸地震地震溅落物全球分布溅落物全球分布全球

22、大火全球大火全球黑暗全球黑暗酸雨酸雨温室效应温室效应陨石撞击及其后果陨石撞击及其后果全球陆地上的撞击坑分布图全球陆地上的撞击坑分布图生物种群的数量生物种群的数量地质年代（百万年）地质年代（百万年）恐龙绝灭：恐龙绝灭：6500万年前万年前据信，据信，6500万年前的万年前的恐龙绝灭恐龙绝灭，就是一次灾难性的陨石撞击事件就是一次灾难性的陨石撞击事件的结果的结果全球陆地上的撞击坑分布图全球陆地上的撞击坑分布图Chicxulub撞击坑撞击坑时间：距今时间：距今6500万年万年地点：（现今的）墨西哥地点：（现今的）墨西哥Yucatn 半岛半岛陨石直径：约陨石直径：约1010公里（？）公里（？）Chicx

23、ulubChicxulub撞击坑的重力异常图撞击坑的重力异常图大约大约 300 300 kmkmChicxulub 撞击坑撞击坑 区域效应与证据区域效应与证据古陆地古陆地海海沉没的大陆沉没的大陆喷溅物取样点喷溅物取样点未受冲击未受冲击的石英颗粒（的石英颗粒（左左）和）和受过冲击受过冲击的石英颗粒（的石英颗粒（右右）。）。 受冲击变质受冲击变质的石英颗粒系从的石英颗粒系从Chicxulub Chicxulub 冲击坑溅射出来的，见于海地。冲击坑溅射出来的，见于海地。 区域效应与证据区域效应与证据 区域效应与证据区域效应与证据海地海地6500万年前的地层中（白垩系第三系界面处）因撞击熔化而形万年前

24、的地层中（白垩系第三系界面处）因撞击熔化而形成的球粒物。这些球粒物构成了近半米的沉积层，其上被一层成的球粒物。这些球粒物构成了近半米的沉积层，其上被一层富铱富铱的的沉积层所覆盖沉积层所覆盖（铱元素在地球上的含量极低，陨石中的铱含量比地球（铱元素在地球上的含量极低，陨石中的铱含量比地球上的平均值高出数十倍至上千倍）上的平均值高出数十倍至上千倍）大陆地壳大陆地壳大洋地壳大洋地壳铱异常铱异常冲击变质的石冲击变质的石英颗粒分布英颗粒分布撞击之后因板块俯冲被撞击之后因板块俯冲被破坏的大洋地壳破坏的大洋地壳撞击地撞击地墨西哥墨西哥Yucatan半岛半岛从从Chicxulub撞击坑抛射出的物质的散落轨迹与分布：暗示了撞撞击坑抛射出的物质的散落轨迹与分布：暗示了撞击后发生的野火使包括恐龙在内的大量动、植物从此绝灭击后发生的野火使包括恐龙在内的大量动、植物从