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地球的由来

来源:百科故事网时间:2017-08-12 09:40:02



球是一个非常特殊的星球。这不仅仅是因为有我们人类生活在地球上,而且还有100多万种生命形态在发展着。它是目前已知的太阳系中唯一有生命存在的场所。

据人们推测,地球差不多已经有50亿年的历史了。目前地球上已测得最古老岩石的年龄已达40亿年。而在这之前,地球已经经历了一系列事件。这些事件所需的时间根据放射性时钟和物理、化学作用的速率所推测约需近10亿年。也就是说,地球是在太阳系形成过程中同时形成的。作为太阳系中一颗行星出现的最早年代大约是在50亿年前。

地球的形成一直是地质学、天文学和人们所关心的问题。几个世纪以来,有过不少的宇宙生成理论,然而用现代方法来解决这个问题开始于18世纪。1755年,德国哲学家伊马努尔•康德提出一种假说,认为宇宙空间存在许多气体和尘埃(现在称这种物质为“星云”),这种原始物质缓慢运动着,它受某种未确定的燃烧,凝聚成许多分散的球状体,原始的气体物质逐渐冷却并开始收缩。这种作用一旦发生,自转速度就会加大,这是角动量守恒定律的结果。直至连续的气体物质环被离心力旋离中心为止。最后这种气体物质环就凝聚成行星。1796年,法国大数学家拉普拉斯提出了相似的理论。所以,现在人们通常把这一学说称作“康德-拉普拉斯”学说。

地球的由来

最新的理论验证了康德-拉普拉斯学说。根据近代天文学的观测确定,宇宙空间不是空的,在星际空间和星云中是由大约99%的气体和1%的灰尘组成的气体物质。这种气体部分是氢和氦。尘状质点具有类似于地球物质的成分,如硅化合物、二氧化铁、冰晶,以及其它细小分子,包括有机分子。星际空间中有机分子的发现是近代最激动人心的发现之一,其中有生物学上的重要化合物,如氨、甲烷、甲酸和甲醛,以及陨石中的氨基酸,这对于研究地球和宇宙其他地方生命的起源具有深刻意义。它们在空间的存在表明,构成生命单元的简单有机化合物的形成,是银河系演变的正常结果。原始旋转气尘云在某个时刻,万有引力成为主要因素,开始收缩,旋转加快,气尘云趋于变扁,成为圆盘状,物质移向中心,积聚成原始太阳。这种原始太阳在自身重力作用下发生崩塌。由于物质压缩,成为密集的、不透明的物质,其内部温度上升到1000000℃左右。在这种高温作用下,发生“核子燃烧”,或聚变开始,太阳因发生热核反应而开始发光。

一种现代的星云团模型,即化学分凝序列模型,近来受到更大的重视,因为它似乎可以预测行星的化学成分和密度。初期,星云团很热,所以大多数物质处于气体状态。当转的星云团冷却时,由气体凝聚出各种固体化合物,形成颗粒,逐渐聚集一起,成为细小块体或微行星。这种微行星出现聚结,较大的具有较强的引力,会吸引所有几乎已凝聚的物体。如果这些行星是在距离太阳很近的地方生长,这对某些物质要凝聚就太热了,一些物质就会因太阳辐射和物质流而呈气体散失掉。在靠近太阳的地方,温度最高,要凝聚的第一批物质是那些具有高沸点的物质,例如大部分的金属和岩石。于是,最靠近太阳的行星——水星是最致密的(为水的密度的5.4倍),因为它是最富铁的。水星靠近太阳,说明它是在铁能够凝聚的温度条件下形成的。而较轻的成岩化合物,例如由镁、硅和氧构成的物质,是较远离太阳的地球族行星的“较冷”环境中更迅速凝聚的。挥发物质,如水、甲烷、氨等,大部分逸散在地球族行星上,但会在太阳系的冷外围凝聚成冰,大概在大行星的卫星上凝聚成冰。木星和土星曾经是相当大的,具有相当强的引力,才能保持它们的全部组成,从而保持原始星云的成分,极类似于太阳,大部分为氢和氦。

这些就是有关太阳系行星和地球早期形成的假说。这仅仅是地球早期行星形成阶段,主要是由于获得微星体或微星体增积的凝聚过程,而这种凝聚作用是无分选的,大部分为硅化合物、铁和镁的氧化物以及少量各种天然化学元素的凝聚质。那时还是一颗均一化的初期行星,与现在的地球行星差别甚远。其间经历了复杂的变化,而且至今地球还在演变中。

首先,由凝聚过程形成的微星体是比较冷的。但是,在行星生长过程中由于以下三种效应行星马上就会变热起来:一种效应是冲击作用。每个投落的微星都具有很高的运动能量,且因投落时的冲击作用而转化为热能。这种作用产生的热虽然大部分要辐射回宇宙空间,但很大一部分仍保留在生长的行星上。尽管有多少热能保留下来还不能肯定,因为它取决于微星体的质量、速度和温度,以及微星体增长的速率。在高增积速率下,受到加热的冲击带会被稍后到达的物质在能量释放回宇宙空间之前所覆盖,这种被“埋藏”的热会使地球内缩,消耗在压缩内部的能量转变为热,就局部地保持下来了。因为热在岩石中的移动、传导都很慢,所以它没有流散出去,结果热积聚下来,地球内部的温度也就升高了。大多数计算过地球加热幅度的地球物理学家都认为,增积和缩作用会造成新形成的行星内部平均温度增高达1000摄氏度。第三种效应放射性生热。重元素例如铀和钍,以及少量比普通钾重一些的钾原子在地球并不很丰富,它们的贮存量经测定为百万分之几(即1000公斤岩石中只有几克),然而由于这些元素具有放射性,对地球的演变有着深刻的影响。这些元素会自发衰变,放射出原子质点(氦原子和电子),从而转变为不同的元素。当这些放射出的原子质点被周围物质吸收时,它们的运动能量就会转变为热。放射性衰变生成的热似乎是微不足道的。不过,因为岩石的热导率很低,热向外流动很慢,就可以引起新形成的地球变暖;如果再加上增积作用和压缩作用所引起的温度增高,热的积累就会更快些,从而开始了全球性的增温发育过程。

由于上述三种效应形成的热能在地球内部积累起来,并且随着时间的增长,温度能升高到足以使物质熔化。有人曾作过计算,地球形成以后约几亿年到10亿年时,地下100~800公里深度的温度会升高到地球内部金属铁的熔点,从而使铁熔化。铁比地球上其他普通元素要重些,当一层铁熔化时就会形成大的下垂体,向地球中心下沉,置换那里原有的物质。铁是地球上一种丰富的元素,约占地球质量的1/3。铁的熔化和下沉,会在地球中心形成一个液态地核。铁向中心的下沉作用,会释放出巨大的重力能,后者将最后转变为热能。这种过程基本上同利用瀑布的重力能来转动涡轮机发电的过程是一样的。铁质地核形成时释放的补充热,会使地球的平均温度上升到约2000摄氏度,使地球大部分熔融。

地球在加热到铁能熔融的温度后,地球就发生了深刻的改组。大约有1/3的原始行星物质(铁)沉入中心。在这个过程中,星体大部分转变为部分熔融状态。这种熔融的物质比母体轻些,它会向上浮起,再经冷却而成为原始地壳。铁物质的熔融下沉,原始地核的形成是地球分异作用的开始阶段。这时地球就由原来的均质体转变为不同深度上的分异或分层的星体,即表层为低熔点、较轻物质组成的地壳,中心为致密铁质的地核,在地壳和地核之间的是分异所剩下的地幔。这种分异作用大概是地球内部最为重要的作用,它最终导致地壳以及大陆的形成;分异作用也可能促使地球内部的气体逸出,最终导致大气圈和大洋的形成。至此,一个原始的、均质的行星地球,通过加热、熔融、分异,逐渐演变成了现今的地球。

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