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中国地质大学 地球科学概论 教学课程PPT part2


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。 混沌初开,乾坤始奠。 轻清者上浮为天, 轻清者上浮为天,重浊 者下凝为地” 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, 对象,宇宙是一个有限的客观 存在。这样一个宇宙, 存在。这样一个宇宙,应该有 它的开端。 它的开端。

宇宙是怎样开端的呢? 宇宙是怎样开端的呢?

20世纪初, 20世纪初,天文学家斯里弗尔 世纪初 1875(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 1929年,哈勃 Hubble,1889(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 爱因斯坦(Albert Einstien, 18791879-1955) 1916年提出的广义相对论 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(G.E.Lematre,1894-1966) 1927年就提出 年就提出: 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 BANG》
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1032°K,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 BANG》
爆炸

现在认识: 现在认识:
大爆炸后1秒钟,温度降到1010°K, 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 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 爆炸后100万年到20亿年 100万年到20亿年

逐步形成各类天体星系

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怎麽能证明150 怎麽能证明150亿年前发生过这 150亿年前发生过这 样的大爆炸呢? 样的大爆炸呢?
爆炸形成的宇宙一直在降温,恒星是在降到 40000°K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 彭兹亚斯(A.A.Penzias,1933(A.A.Penzias,1933)和威尔逊 (R.W.Wilson,1936- 发现: (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3°K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: 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 大爆炸发生约100亿年之后

太阳系出现

哲学家康德(Immanuel 哲学家康德(Immanuel Kant, 17241724-1804) - 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拉普拉斯(P.S.Laplace, 17491827)
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- 20世纪初期-中期 世纪初期
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 1942年瑞典物理学家阿尔文 1908(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 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, 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, 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” 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 冷 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 热 渐冷却凝结 冷

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 地核 较轻的硅酸盐物质形成地幔 地幔和地幔之上的地壳 地幔 地壳 气体和水等轻物质被吸引在固体球的外围


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