地球的起源自古以來一直是人們關心的問題。在古代,人們就曾探討過包括地球在內的天體萬物的形成問題,關于創世的各種神話也廣為流傳。自1543年,波蘭天文學家哥白尼提出了日心說之后,天體演化的討論才開始步入科學范疇,逐漸形成了諸如星云說,遭遇說等學說。但事實上,任何關于地球起源的假說都有待證明。

地球形成于幾十億年以前,初期的痕跡在地面上已很難找到了,以后的歷史面貌也極為殘缺不全。若想從地球面貌往前一步一步地推出它的原始情況,困難極大。任何地球起源的假說都包含有待證明的假設。正由于此,不同的假說常常分歧很大。200多年來,地球起源的假說曾提出過幾十種。到了人造衛星時代,可直接探測的領域已擴展到行星際空間。這個問題的探索也進入到一個新的活躍階段。

地球形成時基本上是各種石質物的混合物,如果積聚過程持續  ~  年,則短壽命放射性元素的衰變和固體顆粒動能的影響都不大。初始地球的平均溫度估計不超過1000℃,所以全部處于固態。形成后,由于長壽命放射性物質的衰變和引力位能的釋放,內部慢慢增溫,以致原始地球所含的鐵元素轉化成液態,某些鐵的氧化物也將還原。液態鐵由于密度大而流向地心,形成地核(這個過程何時開始,現 在已否結束,意見頗有分歧)。由于重的物質向地心集中,釋放的位能可使地球的溫度升高約2000℃。這就促進了化學分異過程,由地幔中分出地殼。地殼巖石受到大氣和水的風化和侵蝕,產生了沉積和沉積巖,后者受到地下排出的氣體和溶液,以及溫、壓的作用發生了變質而形成了變質巖。這些巖石繼續受到以上各種作用,可能經受過多次輪回的熔化和固結,先形成一個大陸的核心,以后增長成為大陸。原始地球不可能保持大氣和海洋,它們都是次生的。海洋是地球內部增溫和分異的結果,但大氣形成的過程要更復雜。原生的大氣可能是還原性的。當綠色植物出現后,它們利用太陽輻射使水氣(H2O)和CO2發生光合作用,產生了有機物和自由氧。當氧的產生多于消耗時,自由氧才慢慢積累起來,在漫長的地質年代中,便形成了主要由氮和氧所組成的大氣。

1、太陽星云和星云盤

約在50億年以前,銀河系中存在著一塊太陽星云。它是怎樣形成的,尚無定論,不過對于研究地球的起源,不妨以它為出發點。

太陽星云是一團塵、氣的混合物,形成時就有自轉。在它的引力收縮中,溫度和密度都逐漸增加,尤其在自轉軸附近更是如此。于是在星云的中心部分便形成了原始的太陽。其余的殘留部分圍繞著太陽形成一個包層。由于自轉,這個包層沿著太陽赤道方向漸漸擴展,形成一個星云盤。星云盤形成的具體物理過程至今還不很清楚,不過一個中心天體外邊圍繞著一個盤狀物,這種形態在不同尺度的天文觀測中都是存在的,例如星系NGC 4594,恒星MWC 349和土星。

星云盤的物質不是太陽拋出來的,而是由原來的太陽星云殘留下來的。因為行星上氫的兩個同位素 2H和1H的比值約為2×10-5,同在星際空間的一樣;但在太陽光球里,這個比值小于3×10-7。這是因為在太陽內部發生著熱核反應,2H大部分消耗掉了。星云盤是行星的物質來源,所以行星不是由太陽分出來的。太陽星云原含有不易揮發物質的顆粒,它們互相碰撞。如果相對速度不大,化學力和電磁力可以使它們附著在一起成為較大的顆粒,叫做星子,星子最大可達到幾厘米。在引力、離心力和摩擦力(可能還有電磁力)的作用下,星子如塵埃物質將向星云盤的中間平面沉降,在那里形成一個較薄、較密的塵層。因為顆粒的來源不同,塵層的化學成分是不均勻的,但有一個總的趨勢:隨著與太陽的距離增加,高溫凝結物與低溫凝結物的比值減小。塵層形成后,除在太陽附近外,溫度是不高的。

太陽帶有磁場,輻射著等離子體(見太陽風)和紅外線,不斷地造成大量的物質和角動量的流失。有些天文學家認為在太陽的發展過程中,曾經歷一個所謂“金牛座T”階段。這個階段的特征是:高度變化快,自轉速度快,磁場和太陽風特別強烈等等。不過這個階段的存在是有爭議的。另一方面,由于磁場(或湍流)的作用,太陽的角動量也有一部分轉移給塵層,使它向外擴張。在擴張的過程中,不易揮發和較重的物質就落在后面。這就使塵層的成分在不同的太陽距離(即不同的溫度區域)處,大有不同,而反映在以后形成的行星的物質成分上。

2、行星

塵層是一個不穩定的系統。在太陽的引力作用下,很快瓦解成許多小塊的塵、氣團。按照薩夫龍諾夫(В.С.Сафронов,1972)的理論,這些塵、氣團由于自引力收縮,又積聚成小行星大小的第二代星子。由星云盤產生塵層所需的時間比較短,但形成小行星大小的星子則約需104年。圖表示太陽星云的演化過程。

星子繞太陽運行時常發生碰撞。碰撞時,有的撞碎,有的合并增長。當一個星子增長到半徑約幾百公里時,它的引力就足以干擾附近星子的運行軌道而使它們變形和傾斜。于是原來扁平的運行系統就變厚起來。同時,星子越大,它的引力增長也越快。在一個空間區域里的最大星子很容易將它附近的較小星子吞并而積聚成一個行星的核心,最后將一定區域內的塵粒和星子基本掃光而形成行星。在塵層中,只有幾個星子能增長成為行星,其余的都被吞并。太陽系仍是扁平的。這是許多星子和塵埃物質積聚后的平均結果。

3、隕石

地球上另一重要線索是隕石。隕石是來自地外空間的天體碎片,年齡和地球是同量級的,可能與地球同一來源。隕石有多種類型,最常見的一類叫做球粒隕石。它的化學成分,除了容易揮發的元素外,與太陽光球中的元素成分或地球的估計成分很接近,但也有幾種元素,與球粒隕石相比,地球上顯得奇缺。正是通過這種差異并與其他的內行星作比較,地球化學家對地球的形成機制和演化作出了重要的貢獻。

4、星云盤成分

包括 3類物質:氫和氦約占總質量的98%;冰質物,主要是O、C、N、Cl、S的氫化物和Ne、Ar,約占1.5%;石質物,主要是 Na、Mg、Al、Si、Ca、Fe、Ni的氧化物和金屬,約占0.5%。隨著星云盤中塵層密度的增大,太陽輻射的透明度降低。塵層形成后,按照薩夫龍諾夫的計算,溫度分布如下:

考慮到太陽的光度可能突然增強過(金牛座T階段),估計那時地球區的溫度也不會超過300K。在內行星的區域,只有少量的冰質物可以凝固,成星的物質主要是石質物。在天王星和海王星的區域,冰質物和石質物都已凝固,行星的成分主要是冰質物。土星和木星的成分主要是氫和氦。可能它們的石質物和冰質物的核心已經大到可以有足夠的引力以使附近的塵層失穩,從而俘獲了大量的氫和氦(這只是一種設想)。在行星形成的過程中,易揮發的物質經歷了明顯的分餾作用。行星的質量只是星云盤極小的一部分。


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