地球的起源自古以来一直是人们关心的问题。在古代,人们就曾探讨过包括地球在内的天体万物的形成问题,关于创世的各种神话也广为流传。自1543年,波兰天文学家哥白尼提出了日心说之后,天体演化的讨论才开始步入科学范畴,逐渐形成了诸如星云说,遭遇说等学说。但事实上,任何关于地球起源的假说都有待证明。

地球形成于几十亿年以前,初期的痕迹在地面上已很难找到了,以后的历史面貌也极为残缺不全。若想从地球面貌往前一步一步地推出它的原始情况,困难极大。任何地球起源的假说都包含有待证明的假设。正由于此,不同的假说常常分歧很大。200多年来,地球起源的假说曾提出过几十种。到了人造卫星时代,可直接探测的领域已扩展到行星际空间。这个问题的探索也进入到一个新的活跃阶段。

地球形成时基本上是各种石质物的混合物,如果积聚过程持续  ~  年,则短寿命放射性元素的衰变和固体颗粒动能的影响都不大。初始地球的平均温度估计不超过1000℃,所以全部处于固态。形成后,由于长寿命放射性物质的衰变和引力位能的释放,内部慢慢增温,以致原始地球所含的铁元素转化成液态,某些铁的氧化物也将还原。液态铁由于密度大而流向地心,形成地核(这个过程何时开始,现 在已否结束,意见颇有分歧)。由于重的物质向地心集中,释放的位能可使地球的温度升高约2000℃。这就促进了化学分异过程,由地幔中分出地壳。地壳岩石受到大气和水的风化和侵蚀,产生了沉积和沉积岩,后者受到地下排出的气体和溶液,以及温、压的作用发生了变质而形成了变质岩。这些岩石继续受到以上各种作用,可能经受过多次轮回的熔化和固结,先形成一个大陆的核心,以后增长成为大陆。原始地球不可能保持大气和海洋,它们都是次生的。海洋是地球内部增温和分异的结果,但大气形成的过程要更复杂。原生的大气可能是还原性的。当绿色植物出现后,它们利用太阳辐射使水气(H2O)和CO2发生光合作用,产生了有机物和自由氧。当氧的产生多于消耗时,自由氧才慢慢积累起来,在漫长的地质年代中,便形成了主要由氮和氧所组成的大气。

1、太阳星云和星云盘

约在50亿年以前,银河系中存在着一块太阳星云。它是怎样形成的,尚无定论,不过对于研究地球的起源,不妨以它为出发点。

太阳星云是一团尘、气的混合物,形成时就有自转。在它的引力收缩中,温度和密度都逐渐增加,尤其在自转轴附近更是如此。于是在星云的中心部分便形成了原始的太阳。其余的残留部分围绕着太阳形成一个包层。由于自转,这个包层沿着太阳赤道方向渐渐扩展,形成一个星云盘。星云盘形成的具体物理过程至今还不很清楚,不过一个中心天体外边围绕着一个盘状物,这种形态在不同尺度的天文观测中都是存在的,例如星系NGC 4594,恒星MWC 349和土星。

星云盘的物质不是太阳抛出来的,而是由原来的太阳星云残留下来的。因为行星上氢的两个同位素 2H和1H的比值约为2×10-5,同在星际空间的一样;但在太阳光球里,这个比值小于3×10-7。这是因为在太阳内部发生着热核反应,2H大部分消耗掉了。星云盘是行星的物质来源,所以行星不是由太阳分出来的。太阳星云原含有不易挥发物质的颗粒,它们互相碰撞。如果相对速度不大,化学力和电磁力可以使它们附着在一起成为较大的颗粒,叫做星子,星子最大可达到几厘米。在引力、离心力和摩擦力(可能还有电磁力)的作用下,星子如尘埃物质将向星云盘的中间平面沉降,在那里形成一个较薄、较密的尘层。因为颗粒的来源不同,尘层的化学成分是不均匀的,但有一个总的趋势:随着与太阳的距离增加,高温凝结物与低温凝结物的比值减小。尘层形成后,除在太阳附近外,温度是不高的。

太阳带有磁场,辐射着等离子体(见太阳风)和红外线,不断地造成大量的物质和角动量的流失。有些天文学家认为在太阳的发展过程中,曾经历一个所谓“金牛座T”阶段。这个阶段的特征是:高度变化快,自转速度快,磁场和太阳风特别强烈等等。不过这个阶段的存在是有争议的。另一方面,由于磁场(或湍流)的作用,太阳的角动量也有一部分转移给尘层,使它向外扩张。在扩张的过程中,不易挥发和较重的物质就落在后面。这就使尘层的成分在不同的太阳距离(即不同的温度区域)处,大有不同,而反映在以后形成的行星的物质成分上。

2、行星

尘层是一个不稳定的系统。在太阳的引力作用下,很快瓦解成许多小块的尘、气团。按照萨夫龙诺夫(В.С.Сафронов,1972)的理论,这些尘、气团由于自引力收缩,又积聚成小行星大小的第二代星子。由星云盘产生尘层所需的时间比较短,但形成小行星大小的星子则约需104年。图表示太阳星云的演化过程。

星子绕太阳运行时常发生碰撞。碰撞时,有的撞碎,有的合并增长。当一个星子增长到半径约几百公里时,它的引力就足以干扰附近星子的运行轨道而使它们变形和倾斜。于是原来扁平的运行系统就变厚起来。同时,星子越大,它的引力增长也越快。在一个空间区域里的最大星子很容易将它附近的较小星子吞并而积聚成一个行星的核心,最后将一定区域内的尘粒和星子基本扫光而形成行星。在尘层中,只有几个星子能增长成为行星,其余的都被吞并。太阳系仍是扁平的。这是许多星子和尘埃物质积聚后的平均结果。

3、陨石

地球上另一重要线索是陨石。陨石是来自地外空间的天体碎片,年龄和地球是同量级的,可能与地球同一来源。陨石有多种类型,最常见的一类叫做球粒陨石。它的化学成分,除了容易挥发的元素外,与太阳光球中的元素成分或地球的估计成分很接近,但也有几种元素,与球粒陨石相比,地球上显得奇缺。正是通过这种差异并与其他的内行星作比较,地球化学家对地球的形成机制和演化作出了重要的贡献。

4、星云盘成分

包括 3类物质:氢和氦约占总质量的98%;冰质物,主要是O、C、N、Cl、S的氢化物和Ne、Ar,约占1.5%;石质物,主要是 Na、Mg、Al、Si、Ca、Fe、Ni的氧化物和金属,约占0.5%。随着星云盘中尘层密度的增大,太阳辐射的透明度降低。尘层形成后,按照萨夫龙诺夫的计算,温度分布如下:

考虑到太阳的光度可能突然增强过(金牛座T阶段),估计那时地球区的温度也不会超过300K。在内行星的区域,只有少量的冰质物可以凝固,成星的物质主要是石质物。在天王星和海王星的区域,冰质物和石质物都已凝固,行星的成分主要是冰质物。土星和木星的成分主要是氢和氦。可能它们的石质物和冰质物的核心已经大到可以有足够的引力以使附近的尘层失稳,从而俘获了大量的氢和氦(这只是一种设想)。在行星形成的过程中,易挥发的物质经历了明显的分馏作用。行星的质量只是星云盘极小的一部分。


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