固體地球物理學(xué)概論第二章-02

1、1）軌道的規(guī)律性共面性：行星軌道平面幾乎平行，且與太陽(yáng)赤道面平行。同向性：行星公轉(zhuǎn)方向，除金星、天王星和冥王星以外，都與太陽(yáng)自轉(zhuǎn)方向一致，為逆時(shí)針?lè)较?。近圓性：行星軌道偏心率小，除水星（0.206）和冥王星（0.248）以外，均小于0.1。,2）日距分布特征——Bode定律 rn = 0.4 + 0.3* 2n其中n為行星秩序數(shù)，水星?。蓿鹦侨?，地球取1，火星取2，木星取3，…，冥王星取8。3）質(zhì)量與密度分

2、布特征太陽(yáng)占了太陽(yáng)系總質(zhì)量的99.85%，行星占0.135%，其它占0.015%。若將行星分為三類，即 類地星（水星、金星、地球、火星）、巨行星（木星、土星）和遠(yuǎn)日星（天王星、海王星、冥王星），則有,質(zhì)量分布：類地星＞巨行星＜ 遠(yuǎn)日星密度分布：類地星 ＞巨行星 ＞ 遠(yuǎn)日星4)太陽(yáng)系的年齡根據(jù)同位數(shù)測(cè)定，地球、月球和隕石的年齡約在45億年左右，如果太陽(yáng)系中所有的行星和隕石在同一時(shí)期形成，太陽(yáng)系的年齡也應(yīng)為45億年。,5）太陽(yáng)系天體

3、的自轉(zhuǎn)行星的自轉(zhuǎn)可分兩種情況，類地星自轉(zhuǎn)速率差異較大，金星需244天，火星只需1.03天；巨行星和遠(yuǎn)日星自轉(zhuǎn)較快，均不到1天。太陽(yáng)自轉(zhuǎn)有“赤道加速”現(xiàn)象，即赤道處自轉(zhuǎn)約25.4天，兩極附近約35天，其內(nèi)部旋轉(zhuǎn)速度更快，可能比表面快十幾甚至幾十倍。行星自轉(zhuǎn)軸也不同，見(jiàn)下圖。,§2.2 太 陽(yáng) 系 起 源 Origin of the Solar System,任何事物都有它的產(chǎn)生、發(fā)展和衰亡的過(guò)程，太陽(yáng)系也不例外。太陽(yáng)系的

4、起源，也即地球的起源問(wèn)題。從1775年康德根據(jù)牛頓的萬(wàn)有引力定律，提出星云假說(shuō)以來(lái)，國(guó)際上先后提出過(guò)40多種假說(shuō)，歸納起來(lái)，主要有“災(zāi)變說(shuō)”、“俘獲說(shuō)”、“原始星云說(shuō)”，以及“新星云假說(shuō)”。,一、新星云假說(shuō),1. 災(zāi)變說(shuō)這種假說(shuō)認(rèn)為，太陽(yáng)系的形成是某種極其偶然事件的結(jié)果。它屬于激變說(shuō)災(zāi)變說(shuō)認(rèn)為，太陽(yáng)是先形成的，行星和衛(wèi)星后形成。由于某個(gè)事件，如一個(gè)恒星與太陽(yáng)相撞或距離很近時(shí)，從太陽(yáng)中“拉出”一部分物質(zhì)，并賦予巨大的轉(zhuǎn)動(dòng)角動(dòng)量

5、，這些物質(zhì)后來(lái)逐漸形成了行星及其衛(wèi)星。,1745年，法國(guó)生物學(xué)家布封（G. L. L. Buffon，1707—1788）在《一般的和特殊的自然史》中，提出了第一個(gè)行星形成的“災(zāi)變說(shuō)”。認(rèn)為一顆慧星掠碰了太陽(yáng)，行星、衛(wèi)星是由撞出的太陽(yáng)物質(zhì)形成的。布封的學(xué)說(shuō)，雖然在科學(xué)上是錯(cuò)誤的，但在反對(duì)宗教的上帝創(chuàng)造說(shuō)中起過(guò)進(jìn)步作用。,2 俘獲說(shuō),風(fēng)靡一時(shí)的俘獲說(shuō)是1944年由前蘇聯(lián)地球物理學(xué)家施密特（1891—1956）提出來(lái)的。有時(shí)又被稱為“

6、隕星學(xué)說(shuō)”。俘獲說(shuō)也是認(rèn)為太陽(yáng)是先形成的，但與災(zāi)變說(shuō)不同的是，它認(rèn)為原始行星物質(zhì)是來(lái)自其它星際，被太陽(yáng)的引力俘獲而來(lái)的，如隕石。,按施密特意見(jiàn)，地球從來(lái)不是全部熾熱的或氣態(tài)的，而是由冷的塵埃般的隕石物質(zhì)形成的，這是施密特假說(shuō)不同于其他假說(shuō)的地方。俘獲說(shuō)雖有其合理的地方，但仍存在著許多沒(méi)有解決的問(wèn)題。例如，當(dāng)太陽(yáng)和星際物質(zhì)云的角動(dòng)量相差很大時(shí)，俘獲是不可能的。1953年施密特自己也承認(rèn)這一點(diǎn)。,3 星云假說(shuō) Nebul

7、ar Hypothesis,星云假說(shuō)屬于“漸變說(shuō)”范疇。這種學(xué)說(shuō)認(rèn)為，太陽(yáng)系乃由同一原始星云物質(zhì)形成，行星和衛(wèi)星是由一度圍繞太陽(yáng)的星云盤(pán)物質(zhì)凝聚而成的，并非某種偶然突變性事件的結(jié)果。1755年，康德（I. Kant，1724—1804）根據(jù)牛頓的萬(wàn)有引定律，提出了關(guān)于太陽(yáng)系起源的星云說(shuō)。,(1) 他認(rèn)為形成太陽(yáng)系的物質(zhì)基礎(chǔ)是星云，即大團(tuán)的旋轉(zhuǎn)著氣體和塵埃；(2) 形成太陽(yáng)系的動(dòng)力是自引力，即星云各部分的相互吸引力?？档抡J(rèn)

8、為 處在混沌之中的宇宙初始物質(zhì)由于引力作用集結(jié)起來(lái)，更大的和更密集的一些質(zhì)點(diǎn)開(kāi)始把周?chē)^小的和比較不密的質(zhì)點(diǎn)吸引過(guò)去；,以后較小的物質(zhì)凝團(tuán)繼續(xù)向工業(yè)已形成的中心體落去，由于相撞使中心體獲得了更大的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生了巨大的灼熱天體——太陽(yáng)。（3）隨著旋轉(zhuǎn)速度加大，大量微小塵埃物質(zhì)在旋轉(zhuǎn)著原始太陽(yáng)的赤道上集中起來(lái)，形成了扁平的星云盤(pán)。,以后，在星云盤(pán)的邊緣部分形成了物質(zhì)集中的中心，并從這些中心產(chǎn)生了行星和環(huán)繞行星的衛(wèi)星。在41年以后

9、，拉普拉斯（P.S.Laplace，1749—1827）提出了和康德的內(nèi)容相似的“原始星云說(shuō)”。由于康德和拉普拉斯的基本觀點(diǎn)相同，都認(rèn)為地球是從原始星云轉(zhuǎn)化而來(lái)，所以后來(lái)人們把二者統(tǒng)稱為康德-拉普拉斯原始星云說(shuō)。,但是， 應(yīng)該指出，兩人的原始星云說(shuō)也是有區(qū)別的。拉普拉斯認(rèn)為原始星云是熾熱發(fā)光的，而康德卻沒(méi)有提到這上點(diǎn)。由于康德和拉普拉斯的學(xué)說(shuō)，是建立在牛頓力學(xué)理論基礎(chǔ)上的，因此不可避免地在科學(xué)上有它的局限性。,但是，它是人類認(rèn)識(shí)

10、宇宙過(guò)程中的又一里程碑，它在宇宙起源學(xué)說(shuō)的發(fā)展上起過(guò)巨大的作用?？档?拉普拉斯的基本論點(diǎn)卻受到了時(shí)間的考驗(yàn)。,在此后半個(gè)多世紀(jì)里，人們普遍贊同星云說(shuō)。但是，星云說(shuō)在當(dāng)時(shí)不能解釋如角動(dòng)量特殊分布的觀測(cè)事實(shí)。在這種情況下，又出現(xiàn)一系列新的假說(shuō)。由于星云說(shuō)屬于漸變說(shuō)，那么，這種新的假說(shuō)被稱為激變說(shuō)。在十九世紀(jì)到二十世紀(jì)四十年代，是各種激變主產(chǎn)盛行時(shí)期。,著名的激變說(shuō)有：1878年，新西蘭天文學(xué)家畢克頓（A.W.Bickerton）認(rèn)

11、為，兩顆恒星碰撞產(chǎn)生類似新星的爆炸，拋出的物質(zhì)形成行星；英國(guó)的勒斯（J.K.Jeans）提出風(fēng)靡一時(shí)的“潮汐說(shuō)”，他認(rèn)為有一顆恒星從太陽(yáng)近旁一掠而過(guò)，使太陽(yáng)漲出了隆起的潮，分離出物質(zhì)形成行星；杰弗瑞斯的“碰撞說(shuō)”，更認(rèn)為是另一顆恒星擦邊碰了太陽(yáng)，才形成行星.等等.,在地球起源的學(xué)說(shuō)的研究中，最困難的問(wèn)題依然是角動(dòng)量問(wèn)題。角動(dòng)量是轉(zhuǎn)動(dòng)的一種量度，它大致等于質(zhì)量、速度和軌道半徑的乘積。在太陽(yáng)系里，太陽(yáng)的質(zhì)量約為行星總質(zhì)量的750倍

12、，占全系統(tǒng)的99%以上，但它的角動(dòng)量卻只有全系統(tǒng)的2%，行星的質(zhì)量雖小，但角動(dòng)量卻很大。,1972年，霍伊爾（F.hoyle）從經(jīng)典的星云假說(shuō)出發(fā)，考慮星際空間的磁場(chǎng)作用，定量地計(jì)算了太陽(yáng)和行星的角動(dòng)量，從而有效地解釋了太陽(yáng)系特殊的角動(dòng)量問(wèn)題。,到目前為止,已有很多假說(shuō)來(lái)解釋太陽(yáng)系的起源,但大家公認(rèn)最好的假說(shuō)是星云假說(shuō).Many hypotheses have been developed to explain the origin

13、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 collapse due to the mutual gravitational attraction between al

14、l 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-lik

15、e Space Structure Previews Death of Our Sun,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

16、 Nebula,(2) As the nebula collapses, it begins to spin faster, and the spin rate increases as the nebula gets smaller. This is because of a property of spinning objects called angular momentum. One law of physics says t

17、hat 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 nebula, becomes

18、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 pu

19、ll the nebula together into a ball. The spin of the nebula counteracts the effect 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 ti

20、me, 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 it than do the areas further out in the disk, and thus has a h

21、igher 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 protosta

22、r.,(5) At some point, 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

23、particles, and these particles and bits of dust begin to coalesce into small bodies called planetesimals (sort of mini planets).,(7) Over time, the planetesimals collide and group together into larger and larger bodies,

24、 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 stable configuration. Overall, this pr

25、ocess from collapse to solar system takes something like 0.1-1 billion years.,4、戴文賽的新星云假說(shuō),戴文賽先生（1911—1979），天文學(xué)家，福建人，生前任南京大學(xué)天文系教授、主任。天體演化是他的研究方向，特別著重于太陽(yáng)系起源問(wèn)題。他在分析和評(píng)價(jià)國(guó)外和多種假說(shuō)的基礎(chǔ)上，提出自己的太陽(yáng)系起源（其中包括地球起源）假說(shuō)。,該假說(shuō)繼承和發(fā)展了康德和拉普斯的星云說(shuō)

26、，較全面、較系統(tǒng)和有內(nèi)在聯(lián)系地論述了太陽(yáng)系各種特征的由來(lái)，其中對(duì)波特定則的說(shuō)明，對(duì)木星、土星、天王星的衛(wèi)星和環(huán)帶的說(shuō)明以及角動(dòng)量問(wèn)題，都得出不同于前人的解釋。戴文賽先生認(rèn)為：行星的形成要經(jīng)過(guò)“原始星云→星云盤(pán)→塵層→星子→行星”這樣幾個(gè)步驟。,（1）原始星云的形成,原始星云是由一塊星際云塊塌縮并瓦解而成的。首先要考慮星際云的塌縮，這里要用到研究物質(zhì)團(tuán)收縮和膨脹的一個(gè)重要物理定理——維里定理。維里定理所要分析的是，使其膨脹的能量U（

27、如分子熱運(yùn)動(dòng)熱能）和使其收縮的能量Ω（如引力位勢(shì)）是否平衡。,根據(jù)U、Ω的物理意義不難得出：當(dāng) 2U+Ω＞0時(shí)，物資團(tuán)膨脹；當(dāng) 2U+Ω＜0時(shí)，物資團(tuán)收縮；當(dāng) 2U+Ω＝0時(shí)，該物資團(tuán)處于既不膨脹也不收縮的平衡狀態(tài)。對(duì)于一個(gè)天體系統(tǒng)，同樣要考慮維里定理。根據(jù)維里定理，當(dāng)忽略自轉(zhuǎn)、磁場(chǎng)及湍流，只考慮引力勢(shì)能和熱能時(shí)，可得出如下星際云自吸引塌縮條件：,M＞2.44×103M0. 式中 M0=1.99

28、×1033g，為太陽(yáng)現(xiàn)質(zhì)量。M為星際云質(zhì)量。該式表明，星際云質(zhì)量比太陽(yáng)現(xiàn)質(zhì)量大三個(gè)數(shù)量級(jí)，它才會(huì)塌縮。當(dāng)星際云塌縮到密度為10-15g/cm3時(shí)，內(nèi)部會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定情況，即：出現(xiàn)擾動(dòng)物時(shí)，會(huì)造成渦流，將星際云瓦解為上千個(gè)小云，其中之一則是太陽(yáng)系前身——原始星云。原始星云其質(zhì)量為βM0，β=1－1.3。原始星云的角動(dòng)量約為今日太陽(yáng)系角動(dòng)量的158—200倍。,（2）、星云盤(pán)的形成,原始星云盤(pán)繼續(xù)塌縮，半徑逐漸減小，因角動(dòng)量守恒

29、，造成自轉(zhuǎn)速度增大。赤道面上的外邊緣物質(zhì)，當(dāng)其慣性離心力與中心部分引力相抗衡時(shí)，便停下來(lái)，逐漸形式類似“鐵餅”的星云盤(pán)。星云盤(pán)形成的同時(shí)，云盤(pán)中心的原始太陽(yáng)亦形成。,為了對(duì)星云盤(pán)的的溫度、厚度和密度做出估計(jì)，需要介紹羅奇密度的概念。首先讓我們看圖2.2-1所示大小球吸引的例子。分析兩個(gè)小球在大球作用下聚集的條件。,大球作用于靠近它的小球1和遠(yuǎn)離它的小球2的引力，分別為因?yàn)镕1＞F2，若沒(méi)有其它力的作用，這兩個(gè)小球就要在共同靠

30、近大球的過(guò)程中，彼此分開(kāi)。但是，兩個(gè)小球之間還存在引力，大小為,這個(gè)力使兩個(gè)小球彼此聚集。顯然，使兩個(gè)小球聚集而不致分開(kāi)的條件是 f12＞F1－F2,將F1 、 F2 和 f12的表達(dá)式代入上式，經(jīng)整理后變成： ρ＞ρ0＝4（M／a3）式中ρ0稱為羅奇密度，上式稱為聚集條件。上述關(guān)系是在一個(gè)大球和兩個(gè)小球這種情況下導(dǎo)出來(lái)的。,作為一般情況，除引力外，還存在小球軌道運(yùn)動(dòng)的離心力、電磁力等其它作用，這

31、時(shí)上式中的系數(shù)不為4，可能還要大些，一般寫(xiě)成η，故此得出 ρ＞ρ0＝η（M／a3）可以用上式分析氣體星云在太陽(yáng)引力下的穩(wěn)定性問(wèn)題。,當(dāng)氣體星云的密度ρ達(dá)到由太陽(yáng)質(zhì)量和距離決定的羅奇密度ρ0時(shí)，太陽(yáng)的引力與氣體星云內(nèi)物質(zhì)自身引力相平衡。當(dāng)超過(guò)羅奇密度時(shí)，實(shí)現(xiàn)了星云自身引力的穩(wěn)定性，開(kāi)始行星的聚集過(guò)程。,現(xiàn)太陽(yáng)質(zhì)量M=1.99×1033g，日地距離α=1.49×1013cm。若僅考慮引力（取η=4）可計(jì)

32、算；羅奇密度ρ0=2.3×10-3g/cm3。地球密度ρ=5.5g/cm3 ＞＞ρ0，故地球在太陽(yáng)引力作用下，不會(huì)被分離，但可產(chǎn)生變形（固體潮）。,星云盤(pán)溫度 由太陽(yáng)輻射、云盤(pán)消光和云盤(pán)熱輻射決定，由能量平衡方程可以推算出，云盤(pán)內(nèi)界溫度為1900°K，云盤(pán)外界溫度為15°K。,（3）塵層的形成,云盤(pán)中塵粒（包括土物質(zhì)和冰物質(zhì)）跟氣體一起繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)也做布朗運(yùn)動(dòng)，彼此發(fā)生碰撞，結(jié)合成顆粒（碰撞吸積），并

33、在引力z方向分量作用下，顆?？朔怏w阻力，向赤道沉降，逐漸形成塵層。,（4）星子的形成,當(dāng)塵層的物質(zhì)密度足夠大時(shí)，局部擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致引力不穩(wěn)定性，使塵層瓦解為許多物質(zhì)團(tuán)。物質(zhì)團(tuán)的密度隨時(shí)間而指數(shù)式增長(zhǎng)。當(dāng)物質(zhì)團(tuán)的密度超過(guò)羅奇密度時(shí)，就可以自吸引塌縮，聚集成固體－星子。瓦解之后的星子質(zhì)量估計(jì)為1018g（內(nèi)區(qū)）到1020g（外區(qū)）。各物質(zhì)團(tuán)自吸引收縮，很快形成星子。估計(jì)地球處由物質(zhì)團(tuán)形成星子的時(shí)間為104a，木星處的時(shí)間為106a。,(5

34、) 行星（胎）的形成,初始星子繞太陽(yáng)作開(kāi)普勒運(yùn)動(dòng)外，還有隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。大量的星子軌道是雜亂章的，因而頻繁地相遇和碰撞，發(fā)生結(jié)合或者碎裂。實(shí)驗(yàn)表明，相對(duì)速度小于0.5km/s的星子碰撞，其結(jié)果總是結(jié)合，而相對(duì)速度大于1 km/s的星子碰撞，其結(jié)果可能發(fā)生碎裂。前者成為更大星子，后者成為更小星子。,大星子引力較強(qiáng)，更有效地吸積周?chē)奈镔|(zhì)和小星子（引力吸積），迅速成長(zhǎng)。小星子引力較弱，吸積殘余塵粒而緩慢生長(zhǎng)。較大星子（直徑大于1 km）因?yàn)樽陨?/p>

35、吸引力場(chǎng)強(qiáng)，由碰撞聚積為主過(guò)渡到引力吸積為主。物質(zhì)不斷聚集到大星子上，使其生長(zhǎng)更快更大，最大星子成為行星胎。,由星子結(jié)合行星時(shí)間，各人用不同方法估算，就地球而言，竟差3—4量級(jí)。據(jù)戴文賽估計(jì)，地球形成時(shí)間為106—107a，木星（固體核）形成時(shí)間為107a，水星為104—106a。這與隕星母體的形成時(shí)間為幾千萬(wàn)年大致相符。,二、新星云假說(shuō)對(duì)若干觀測(cè)事實(shí) 的解釋,一個(gè)假說(shuō)能否成立，不僅在于這個(gè)假說(shuō)能自圓其說(shuō)，而且在于能否解

36、釋已有的觀測(cè)事實(shí)，并為以后新的觀測(cè)事實(shí)所證明。1、行星軌道運(yùn)動(dòng)的解釋行星要解釋的是軌道運(yùn)動(dòng)的同向性、共面性和近圓性。,對(duì)于同向性，顯然這是因?yàn)樗鼈冇赏蛔赞D(zhuǎn)的原始星云形成的必然結(jié)果。對(duì)于共面性和近圓性，也可以從“塵層→星子→行星（胎）”過(guò)程的隨機(jī)性質(zhì)加以解釋。對(duì)于隨機(jī)過(guò)程，有其必然的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。在眾多星子集聚成行星時(shí)。通過(guò)碰撞聚積和引力吸積，使軌道偏心率e和軌道傾角i平均化較好，即e和i 的值都較小。,2、行星體積、質(zhì)量和密度分布

37、的解 釋,行星可分為三類：類地行星，巨行星和遠(yuǎn)日行星。各行星的質(zhì)量、半徑和密度已在前面作了介紹。顯然，行星大小和質(zhì)量分布特征是兩頭小、中間大，行星的密度分布特征是類地行星大、巨行星小、遠(yuǎn)日行星居中。這種分布特征是行星形成總過(guò)程的必然結(jié)果，反映了各類行星在形成條件上的差別。,類地行星區(qū)溫度高，只有土物質(zhì)凝聚，而冰物質(zhì)和氣物質(zhì)大部分揮發(fā)掉。遠(yuǎn)日行星區(qū)太陽(yáng)引力弱，所需逃逸速度小，因而大部分氣物質(zhì)逃離太陽(yáng)系。巨行星區(qū)的溫度不如

38、類地行星區(qū)高，巨行星區(qū)的逃逸度不如行星區(qū)小，因此這個(gè)地區(qū)保持有相當(dāng)數(shù)值的氣物質(zhì)（其它兩種都居中）。這就導(dǎo)致三個(gè)區(qū)的化學(xué)組成的差異。含土物質(zhì)多的類地行星密度大，含氣物質(zhì)多的巨行星密度小，含冰物質(zhì)多的遠(yuǎn)日行星密度居中。,3、行星軌道半徑分布的解釋,行星公轉(zhuǎn)軌道半徑的分布，遵從統(tǒng)計(jì)規(guī)律波特定則。它有多種表示式。其中，可由相鄰軌道半長(zhǎng)軸αn表示成如下等比級(jí)數(shù)形式： a n＋1／an＝1.69±0.26觀測(cè)

39、值與計(jì)算值在內(nèi)行星符合得很好，而外行星符合得較差。,4 行星定居順序及數(shù)目的解釋,因?yàn)閴m層的密度隨遠(yuǎn)離太陽(yáng)而減小，星子生長(zhǎng)率與密度成正比，故可知靠近太陽(yáng)的行星先形成。水星胎形成時(shí)，金星區(qū)已有了大星子，它同水星胎爭(zhēng)奪邊界區(qū)物質(zhì)。如果它離水星近，因邊界物質(zhì)少，不會(huì)生長(zhǎng)快；它也不會(huì)離地球區(qū)近，因?yàn)檫€與那里的大星子爭(zhēng)奪物質(zhì)。,形成行星的數(shù)量與星云盤(pán)內(nèi)可吸積物質(zhì)的數(shù)量有關(guān)。若星云盤(pán)內(nèi)可吸積物質(zhì)為0.00135M0時(shí)，形成九個(gè)行星和小行星；當(dāng)云

40、盤(pán)內(nèi)可吸積物質(zhì)增加12倍時(shí)，只形成三個(gè)行星；當(dāng)云盤(pán)內(nèi)可吸積物質(zhì)增加340倍時(shí)，則只形成一個(gè)天體，太陽(yáng)系便成雙星系了。,5 角動(dòng)量分布的解釋,如前所述，太陽(yáng)系中太陽(yáng)的質(zhì)量大、角動(dòng)量卻小，行星及其衛(wèi)星的質(zhì)量小、角動(dòng)量卻大，相差非常懸殊。這一角動(dòng)量的特殊分布，很自然使人們想到，原始太陽(yáng)質(zhì)量占原始星云絕大部分，它剛形成時(shí)角動(dòng)量一定比現(xiàn)在大得多，需要某種機(jī)制轉(zhuǎn)移掉它的角動(dòng)量。這種機(jī)制就是“沙茲曼機(jī)制”。,太陽(yáng)系中太陽(yáng)和行星的角動(dòng)量分布，與

41、太陽(yáng)的演化和行星的形成過(guò)程有關(guān)。計(jì)算表明，太陽(yáng)在其發(fā)展的金牛T階段之前，角動(dòng)量需要減少幾十倍，才能保證太陽(yáng)繼續(xù)收縮。在這里“沙茲曼機(jī)制”是有效的，因?yàn)槟菚r(shí)太陽(yáng)自轉(zhuǎn)快，表層活動(dòng)劇烈，能夠拋出很多帶電粒子，這些帶電粒子沿著與太陽(yáng)共轉(zhuǎn)的磁力線運(yùn)動(dòng)，由于當(dāng)時(shí)的磁場(chǎng)比現(xiàn)在強(qiáng)得多，所以可以帶走大量角動(dòng)量。,三、地球的形成和演化（the Formation and Evolution of the earth,1、地球的形成地球是太陽(yáng)系中

42、一個(gè)普通成員，一顆“規(guī)則”行星，因此，可以用太陽(yáng)系起源的戴文賽假說(shuō)，在解釋一般行星的形成過(guò)程中，也解釋地球的形成。概括地說(shuō)，一個(gè)冷的、自轉(zhuǎn)的原始星云（質(zhì)量＜1.3M0）因自吸引而收縮,，中部形成太陽(yáng)，外部形成星云盤(pán)，凝聚的固體顆粒沉降到云盤(pán)中面（赤道面）附近塵層。,塵層各區(qū)的物理-化學(xué)條件不同。當(dāng)塵層的物質(zhì)密度足夠大，可以發(fā)生引力不穩(wěn)定性而瓦解為許多物質(zhì)團(tuán)。這些物質(zhì)團(tuán)集聚為星子，星子又因吸積而集聚成行星。這就是太陽(yáng)系形成的一般輪廓，也

43、就是各行星形成過(guò)程中的共性。在塵層的地球區(qū)內(nèi)，最大星子成為地球胎。由于塵層內(nèi)各區(qū)的星子有大致相同的組成，所以地球吸積生長(zhǎng)的初期是均一吸積的。,但是，由于大星子及行星胎的攝動(dòng)，星子改變軌道，可移到相鄰的區(qū)域內(nèi)，因此，在地球生長(zhǎng)的后期，一定有相當(dāng)數(shù)量的其它區(qū)的星子。尤其是鄰近的金星區(qū)和火星區(qū)的星子，在通過(guò)地球區(qū)時(shí)，可以被地球胎吸積，因而在地球生長(zhǎng)后期對(duì)均一吸積有一定的偏差。地球形成時(shí)的溫度、密度和物質(zhì)組成等狀況，對(duì)地球形成后的早期演化將

44、起決定作用。,2、地球的早期演化,地球演化問(wèn)題，是地球起源問(wèn)題的自然延伸。如果說(shuō)地球起源還離不開(kāi)整個(gè)整個(gè)太陽(yáng)系形成的話，那么地球演化基本是地球自身的改造過(guò)程。只是在它發(fā)展的某一階段經(jīng)受了小天體的撞擊，從而影響它的演化方向。,地球形成后，有過(guò)各種各樣的變化。其中，影響特別深遠(yuǎn)的是整個(gè)地球分化成同心圈層，即地核、地幔、地殼、水圈、大氣圈以及生物圈。其中地核-地幔-地殼，組成固體地球。水圈和大氣圈對(duì)固體地球的形成和改造的形成和改造的作用

45、也是不容忽視的。,,（1）地核和地幔的形成,從太陽(yáng)星云分化出來(lái)時(shí)的原始地球，是一個(gè)均勻的球體，還是一個(gè)已經(jīng)分層的球體？對(duì)此有許多研究，可概括地分為兩大派，均一吸積說(shuō)和非均一吸積說(shuō)。非均一吸積說(shuō)認(rèn)為，在原始星云中鐵和硅已經(jīng)分離。地球的吸積生長(zhǎng)過(guò)程不是均一的，即先吸積鐵，形成地核，后來(lái)吸積硅酸鹽，形成地幔。,均一吸積說(shuō)認(rèn)為，地球所吸積的物質(zhì)在組成上是均一的，吸積的物質(zhì)同時(shí)含有硅和鐵，地核和地幔的分異，是在吸積過(guò)程或吸積結(jié)束時(shí)開(kāi)始的。

46、一般認(rèn)為，均一吸積說(shuō)的可能性大。根據(jù)這種假說(shuō)，原始地球是一個(gè)接近均質(zhì)混雜在一起，并沒(méi)有明顯的分層現(xiàn)象。但是，地球物質(zhì)的均質(zhì)現(xiàn)象是相對(duì)的，暫時(shí)的。,在圈層分化過(guò)程中，溫度是不容忽視的的外在條件。在溫度很低時(shí)，各種不同物質(zhì)都以固態(tài)存在著。因此，它們不可能在重力的作用下自由地升降。后來(lái)，由于地球的體積逐漸增大，地球保存的熱能的能力就將逐漸增加。這樣、放射性元素在蛻變中所產(chǎn)生的熱能，就在地球內(nèi)部積累起來(lái)。隨著地球內(nèi)部熱量的積累、地球內(nèi)部的溫度

47、就逐漸增高，地內(nèi)物質(zhì)也就具有越來(lái)越高的可塑性。當(dāng)溫度高到一定程度，以致地內(nèi)物質(zhì)具有足夠的可塑性時(shí)，就開(kāi)始了重力作用下的分化過(guò)程。,圈層分化的結(jié)果，形成以密度高低為順序的明顯層次。在這里，物質(zhì)密度的差異，則是圈層分化的內(nèi)在條件。人們知道，地內(nèi)的較輕物質(zhì)，無(wú)非是硅酸物質(zhì)；而較重物質(zhì)，無(wú)非是鐵和鎳。硅酸物質(zhì)具有低密度和高熔點(diǎn)性質(zhì)。相反，鐵和鎳具有高密度和低熔點(diǎn)性質(zhì)。,因此，當(dāng)?shù)貎?nèi)溫度足夠高的時(shí)候，鐵和鎳就熔化了，而硅酸物質(zhì)仍然保持其固

48、體狀態(tài)。這樣，地球上層的鐵和鎳的熔體就滲過(guò)硅酸物質(zhì)，流向地內(nèi)深處，甚至地球中心。同時(shí)，地內(nèi)深處的硅酸物質(zhì)就浮到地球上部。這樣，地球就分化成地核和地幔。地核和地幔的形成，是地球分化成同心圈層的第一步，也是關(guān)鍵的一步。,如果沒(méi)有地幔，則不會(huì)出現(xiàn)由它分化出來(lái)的巖石圈；如果沒(méi)有地核，則也不會(huì)出現(xiàn)由它分化出來(lái)的地球內(nèi)核，現(xiàn)今許多地質(zhì)活動(dòng)和地球物理現(xiàn)象，也就失去了存在的基礎(chǔ)。這里有一個(gè)問(wèn)題：從地球形成和圈層分化完成，至今已幾十億年。隨著地球

49、整體的冷卻，為什么地核（指外核）能保持原始的液態(tài)呢？ 這可能因?yàn)榈蒯１旧碛蟹派湫晕镔|(zhì)加熱，它是一個(gè)熱導(dǎo)率不大的、堅(jiān)硬而巨厚的“巖石帷幕”。地幔對(duì)地核起某種絕熱作用。,(2)、原始地殼的形成和陸殼、洋殼的 分化,在地核和地幔形成后，那時(shí)的地球表層是熔融的。在距今40—46億年前，表層開(kāi)始冷卻分異，形成全球性的原始地殼。這就是大陸地殼。在距今30—40億年前，類地行星都受到星子撞擊，由于地球質(zhì)量大、引力強(qiáng)，撞擊作用很猛

50、烈。,有人推算，單位地表受星子撞擊比月球多30—50%，撞擊坑比月球大11—15%。星子在地表的撞擊分布不均勻，在受撞擊的集中區(qū)域下，造成地幔熔化，并發(fā)生玄武巖噴發(fā)，排出大量巖漿和氣體，從而改變?cè)嫉貧さ某煞?，形成原始大洋地殼?Impacts on the EarthA、Manicouagan, Quebec, Canada51°23'N, 68°42'W; rim diameter: ~100

51、 kilometers (62 miles); age: 212 +- 1 million years,B、Barringer Crater, Arizona35°02'N, 111°01'W; rim diameter: ~1.2 kilometers; age: 49,000 years,,c、Chicxulub, Yucatan Peninsula, Mexico 21°20

52、9;N, 89°30'W, diameter 170 (or 300??) km。,原始大陸地殼，由于部分熔化、再次活化和巖漿侵入等作用，進(jìn)一步發(fā)生分異，形成由變質(zhì)巖漿組成的下地殼和由花崗閃長(zhǎng)巖組成的上地殼。由于地幔對(duì)流和板塊運(yùn)動(dòng)，原始海洋地殼在海嶺處長(zhǎng)出新地殼，并且向兩側(cè)擴(kuò)張，在海溝處下沉，進(jìn)入地幔而消失。,上述陸殼與洋殼的形成及其以后的變化，大大改變了固體地球的外觀。滄海桑田，今非昔比。現(xiàn)在已很難看出原始外殼的