中国地质大学地球科学概论教学课程课件

第二章 行星地球简史,一 混沌初开 - 宇宙始于大爆炸？,混沌初开，乾坤始奠。轻清者上浮为天，重浊者下凝为地”。, 中国古代的贤哲,作为自然科学研究的具体对象，宇宙是一个有限的客观存在。这样一个宇宙，应该有它的开端。,宇宙是怎样开端的呢？,20世纪初，天文学家斯里弗尔（V.M. Slipher, 1875-1969),在观测银河系外的仙女座大星云时，取得15个星系的光谱资料，经过研究，发现其中13个正在以每秒数十万米的高速退行，即离开我们愈来愈远。,1929年，哈勃(E.P. Hubble,1889-1953),根据观测到的河外星系正在退行的资料，提出：一个星系退行的速度和它与我们(地球)的距离成正比，即离得愈远退行愈快。这个发现告诉我们，我们周围的星系正在四散离开，也可以说我们已知的宇宙正在膨胀。,爱因斯坦(Albert Einstien, 1879-1955)在1916年提出的广义相对论,演绎出宇宙在膨胀的理论。 哈勃的发现被认为是对这些理论的验证。以后的天文观测继续有新的发现，证明宇宙在膨胀，曾测到有的河外星系之间，正以每小时2,500,000km的速度在拉开距离。,比利时天文学家勒梅特(G.E.Lematre,1894-1966)1927年就提出：,宇宙为什么会膨胀呢？ 膨胀的宇宙会不会是爆炸的产物呢？,BIG BANG大爆炸,宇宙的全部物质，当初都集中在一个“原始原子”(或称宇宙蛋)里，异常紧密 温度约1032K，绝对温度1亿亿亿亿度 显然这只能维持极其暂短的平衡，一旦平衡破坏，就发生大爆炸，原始原子迅速膨胀，逐渐扩展成为我们的宇宙,BIG BANG大爆炸,现在认识：,大爆炸后1秒钟，温度降到1010K，粒子间的强相互作用、弱相互作用、电磁力和引力开始分开。 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50 - 100万年,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轻到重依次聚合而成,爆炸后100万年到20亿年,逐步形成各类天体星系,点击播放视频,怎麽能证明150亿年前发生过这样的大爆炸呢？,爆炸形成的宇宙一直在降温，恒星是在降到40000K以下时才开始形成 现在测得最老的星系的年龄都只有100多亿年，符合这个理论的推断。 特别是盖莫夫(G.Gamow，1904-1968)预言：在大爆炸的特殊宇宙背景下产生出来的微波辐射，至今还存在于宇宙空间中，其温度应已降低到只有绝对温度几度。,彭兹亚斯(A.A.Penzias,1933- )和威尔逊(R.W.Wilson,1936- )发现：,1964年，威尔逊山上一台高灵敏度的射电天文望远镜，在各个方向都测得一种3K的微波背景辐射。大爆炸理论得到了有力的支持。 为此他们得到了1978年的诺贝尔物理学奖金。,其它证据：,现在测得的不同天体上氦的丰度，即它在天体中的含量，一般都达到30%左右，仅仅太阳上那种氢合成氦的作用，是不能造出这么多氦的，而大爆炸能做到 因爆炸而使星系间的距离拉开，更已是熟知的事实 天文观测中已多次记录到超新星爆炸 另外新近得到的两个黑洞撞击爆炸的信息，都可以作为佐证。,二、太阳系的起源,大爆炸发生约100亿年之后太阳系出现,哲学家康德(Immanuel Kant, 1724-1804) 星云说,在献给普鲁士国王的自然通史和天体理论中假定：最初“整个宇宙的物质都处于分散的状态，并由此造成一种完全的混沌”，“ 构成我们太阳系的星球的物质，在太初时都分解为基本微粒，充满整个的宇宙空间，现在已形成的星体就在这空间中运转”。他认为是万有引力的作用，使这些原始的弥漫物质逐渐分别凝聚，形成了太阳系内的各天体。,拉普拉斯(P.S.Laplace, 1749-1827),在一本科普读物宇宙体系论述的附录中，对太阳系的形成，作出了自己的解释并广为流传 拉普拉斯虽没看到过康德的书，但他自己独立提出的见解却与康德大同小异，而且充实了星云说 旋转星云析出圆环，圆环一次又一次地被分出来，并分别凝聚结成行星，行星周围的卫星也有着类似的形成过程 星云中心部分则收缩成为太阳（不知热核反应）,星云说不能解决太阳系中许多问题,太阳和行星的单位质量的角动量，应该是一样的，但实际上相差近100倍,20世纪初期中期,灾变说 潮汐说 俘获说（苏联 斯密特： 原始太阳随银河系公转，在经过有大量星际物质弥漫的空间时，将它们吸引在周围，成为行星的物质来源的，用外来物质形成的行星，角动量可以和太阳不同,1942年瑞典物理学家阿尔文(H.O.G.Alfven, 1908- ),太阳可以通过磁场的作用，把自己的一部分角动量转移给形成行星和卫星的云团 电磁场的作用能说明在太阳系形成的过程中，从中心抛出物质的质量虽不多，但带走的角动量可以很多,三、地球的诞生,天，积气也；无处无气。地，积块（土）也；充塞四虚，无处无块” 列子 天瑞 天是气的集合，地是土的集合 古代贤哲的卓识,20世纪30年代末天文观测证实,在银河系中，有许多气体和尘埃存在 这些气体主要是氢和氦。气体在这些星际物质中，按质量计要占到98%左右 尘埃里主要是水、甲烷和氨等液体、气体冻结而成的固体微粒；还有少量二氧化硅及其与金属离子结合形成的化合物等固体材料。固体物质不及2%，颗粒细微，半径只有0.0001(万分之一)厘米左右，微粒弥漫在整个太空中,地球的成分,氢和氦的含量都很少 而是铁占了第一位，其次是氧和硅，还有很多镁、镍和铝等金属 地球的化学组成为何如此不同？,形成地球的这团冷星云，在万有引力的作用下，物质的微粒互相吸引，形成小的团块，也叫做星子,星子再互相吸引，大的吃掉小的，不断碰撞、不断吸积，直至成为地球和其他行星的前身。这个原始的地球是一个比今日的地球大得多的尘埃的集合体，大致沿着今天的地球轨道自转,地球的形成,在太阳系内，由于接受的太阳辐射多，温度高，轻的气体被辐射到远处，散失到太阳系的外部 远处构成类木行星 近太阳的地区，以尘埃中的固体物质为主，化学组成当然和原来的星云有显著的不同（铁、硅、镁、氧为主） 近处构成类地行星,原始地球内的“ 星子”,受到引力的作用向中心聚集，体积逐渐缩小，物质的密度越来越大 收缩不是无限的，因为物质还要受到自转所产生的惯性离心力的作用，而离心力是要随着体积缩小，导致自转速度加快而增大，当离心力增大到能抵消引力时，就达到平衡,冷 热 冷,尘埃向中心聚集的过程中，由于引力的作用，体积收缩，压力加大，会释放出大量的热量。放射性元素的蜕变和陨石的撞击，也都要放出热能 尽管原始的星云物质是冷的，后来地球曾经历过一个高温时期，至少是局部物质处於热的熔融状态，以后收缩停止，才又逐渐冷却凝结,地球圈层的形成,重力的作用与高温的影响，地球里面的物质发生部分熔融，使重者下沉，轻者上浮，出现了大规模的物质分异和迁移，形成了从里向外，物质密度从大到小的圈层结构 铁和镍比较重，含量也多，分离出来成为液态的金属向中心聚集 地核 较轻的硅酸盐物质形成地幔和地幔之上的地壳 气体和水等轻物质被吸引在固体球的外围,