中圖版地理選修1《第三章地球的演化》教案

1、最新中圖版地理選修1第三章地球的演化教案章地球的演化相關(guān)素材中微子地球演化說是一種關(guān)于地球演化的科學(xué)假說。1996年 , 由青年學(xué)者張國文提出。地球演化的能源一直是一個懸而未解的問題。板塊運(yùn)動和我們所熟知的其他一些地球運(yùn)動和現(xiàn)象, 如地球磁場的形成和維持、錢德勒晃動以及地球自轉(zhuǎn)的其他不均勻運(yùn)動、地震和火山活動、地球內(nèi)部的分層和熱運(yùn)動、地?zé)崃鞯尼尫诺鹊哪芰縼碓炊紱]有十分確切的答案。然而, 在地球的形成和一系列演化過程中, 能量的產(chǎn)生、遷移、轉(zhuǎn)化和消化起著決定性的作用?？梢哉f, 找到了地球演化的能量來源就等于解決了地球科學(xué)的主要問題。該學(xué)說認(rèn)為, 地球演化的能源來源于太陽中微子。中微子（neutr

2、ino）是奧地利物理學(xué)家泡利（W.Pauli）預(yù)言的一種不帶電、靜止質(zhì)量極小或?yàn)榱愕闹行孕×Ｗ樱?930）。 H.Bethe和 R.Peierls經(jīng)過估算得出中微子在原子核上浮獲的截面約為10的負(fù) 43次方厘米/核子（1934）。柯溫和萊因斯通過核反應(yīng)堆發(fā)出的反中微子與質(zhì)子碰撞證明了中微子的存在（1956） , 實(shí)驗(yàn)探測到的中微子的反應(yīng)截面與H.Bethe和 R.Peierls的估算基本吻合。據(jù)此, 物理學(xué)家認(rèn)為絕大多數(shù)中微子能夠輕而易舉地穿過地球以及其他任何行星和恒星。太陽內(nèi)部的熱核反應(yīng)在不斷地產(chǎn)生大量中微子, 向四周輻射。標(biāo)準(zhǔn)理論預(yù)言, 在由四個質(zhì)子（P）轉(zhuǎn)變成一個氦原子核的過程中要釋放兩

3、個中微子。據(jù)此可以推算, 太陽中微子抵達(dá)地球表面時,每平方厘米每秒鐘約為660億個。一年內(nèi)到達(dá)地球的太陽中微子的能量為：1790萬億億焦耳。這個能量是地球每年以火山、地震和地表熱流等形式消耗能量的167倍。所以 , 只要有百分之零點(diǎn)幾的中微子被地球吸收, 就足以為地球的各種演化提供能量。中微子地球演化說認(rèn)為, 太陽中微子進(jìn)入地球后, 將與地球物質(zhì)發(fā)生一系列復(fù)雜作用,歸納起來可能有如下幾種：1. 康普頓散射2. 中微子生電子效應(yīng)3. 中微子韌致輻射4. 中微子對湮滅生成光子5. 中微子對湮滅生成電子對6. 電子俘獲快中微子或者說高頻率的中微子反應(yīng)截面較小（不易與物質(zhì)作用）, 當(dāng)中微子被減速 ,

4、使其運(yùn)動速度（或頻率）慢到與原子核內(nèi)的中微子相近時（此時中微子就變成了熱中微子） , 它便更容易參與反應(yīng)（弱相互作用）1 / 4因此 , 太陽中微子進(jìn)入地球, 經(jīng)過一定物質(zhì)散射、減速, 頻率變低或速度變慢的熱中微子 , 便與地球物質(zhì)反應(yīng), 提供地球演化的能量。中微子地球演化說不僅較好地解釋了板塊的運(yùn)動、地磁的形成和磁極的漂移、地球內(nèi)部圈層構(gòu)造等一系列 地球演化現(xiàn)象 , 而且還 能夠應(yīng)用到其他行星和衛(wèi)星, 解釋一些我們認(rèn)為神秘的天體運(yùn)動現(xiàn)象。關(guān)于板塊的動力機(jī)制：中微子地球演化說認(rèn)為, 中微子的最大吸收處是外核, 大量太陽中微子在此處被源源不斷地吸收而釋放能量, 結(jié)果外核成為整個地球的能量源泉。這

5、個能量源泉也是大陸漂移的動力來源。具體地講：第一 ,少量來自太陽的中微子在巖石圈的上地幔（upper mantle）被吸收 , 釋放一定的能量, 使此處的物質(zhì)熔融, 形成一個具有流動性的軟流層。堅(jiān)硬的巖石板塊就“漂浮”在這個具有流動性的軟流層上。軟流層的作用類似潤滑劑, 可以大大降低巖石板塊和整個 地幔之間的摩擦力。這樣, 當(dāng)有一個足夠的橫向（水平）力強(qiáng)加在巖石板塊上時 , 巖石板塊就能夠相對地幔發(fā)生移動。第二 ,大量太陽中微子在地球外核被吸收, 釋放出巨大的能量, 結(jié)果地球內(nèi)部物質(zhì)達(dá)到極高溫度而膨脹。膨脹力撕裂地幔, 高溫熔融物質(zhì)從裂縫向上流,在達(dá)到軟流層時 ,變?yōu)樗椒较蛄鲃? 并呈放射狀

6、擴(kuò)散開去。擴(kuò)散的流體在水平方向強(qiáng)加巖石板塊一個巨大的粘拖力 , 拉動板塊移動, 從而使附著在巖石板塊上的大陸發(fā)生漂移。這一步與熱地幔柱模式相類似。在大洋中脊 , 地球內(nèi)部熱物質(zhì)上涌, 會填充到板塊移動后所形成的裂縫間而形成新的洋殼。新洋殼與老洋殼板塊焊接在一起繼續(xù)漂移, 在原來裂縫處又產(chǎn)生新的裂縫,地球內(nèi)部熱物質(zhì)又溢出再形成新的洋殼 ,新洋殼與老洋殼又一起漂移, 于是又出現(xiàn)新的裂縫, 如此反復(fù) , 就形成了海底巖石年齡的條帶狀分布關(guān)于地球內(nèi)部圈層構(gòu)造：中微子地球演化說認(rèn)為, 地球內(nèi)部的圈層結(jié)構(gòu)與其大氣圈層一樣起源于外部粒子（或射線）的作用。研究表明 , 地球大氣的溫度、組成和電離程度等隨海拔高

7、度而變化, 呈現(xiàn)出明顯的圈層結(jié)構(gòu)。如果按大氣溫度隨高度的變化分,則可把大氣層分為對流層、平流層、中間層和熱層；如果按大氣的組成狀況分,則可把大氣層分為均質(zhì)層和非均質(zhì)層（在均質(zhì)層中還包含著一個臭氧層）；如果按大氣的電離程度分, 則可將大氣層分為中性層和電離層。大氣的這種圈層結(jié)構(gòu)是由于各種宇宙射線和不同頻率的太陽輻射, 分別在不同的高度與大氣物質(zhì)作用的結(jié)果。例如高層大氣物質(zhì)吸收帶電的粒子, 形成電離層（ionosphere ）；在距地面10-50公里處 , 大氣吸收紫外線, 形成臭氧層（ozone layer）；在靠近地表的底層, 大氣吸收可見光和紅外線, 形成對流層（troposphere）等等

8、。當(dāng)然 , 大氣層的圈層構(gòu)造并不是一成不變的, 而是隨著宇宙線和太陽光的強(qiáng)弱而發(fā)生起伏變化。例如 , 經(jīng)過整整一個白天太陽輻射的影響, 電離層在黃昏時最強(qiáng)；在夜晚太陽輻射消失 , 一些離子便與電子復(fù)合而使電離層變?nèi)? 至黎明電離層最弱。因此, 如果沒有宇宙射2 / 4線和太陽輻射的維持,大氣分子的熱運(yùn)動將導(dǎo)致大氣層逐漸變成均勻體,大氣的圈層結(jié)構(gòu)就會完全消失。同樣地 , 如果沒有外部輸入的能量的維持,地球的內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)就不可能形成, 并在漫長的地質(zhì)年代保持相對穩(wěn)定。那么,是什么粒子或者宇宙射線能深入到地球內(nèi)部并且供給地球能量呢?這個粒子就是太陽中微來自太陽的快中微子進(jìn)入地球后,就被地球物質(zhì)散射、

9、減速而消耗能量,慢慢地就變成頻率或速度與原子核中的中微子相近的慢（熱）中微子, 最后被地球物質(zhì)吸收,并釋放能量由于太陽中微子的速度(能量 )不同 ,而且各種能量的太陽中微子的分布也不均勻 , 即處于某種能量的中微子相對多一些, 而處在另一種能量的中微子則要少一些, 所以它們被減速、吸收的位置和形成的熱效應(yīng)也不一樣,于是就形成了地球內(nèi)部的圈層結(jié)構(gòu)。少量太陽中微子能量較低, 經(jīng)過巖石圈（lithosphere）減速就變成了慢（熱）中微子, 并與巖石圈以下的物質(zhì)作用, 釋放一定能量, 使少量物質(zhì)熔融, 形成軟流層（ asthenosphere）。多數(shù)快中微子必須經(jīng)過整個巖石圈和地幔才能被減速成慢（熱

10、）中微子, 在地表以下 2900 5050公里處被吸收, 釋放巨大能量, 導(dǎo)致物質(zhì)熔融, 形成液態(tài)外核。液態(tài)外核產(chǎn)生磁場, 進(jìn)一步加劇中微子的減速和吸收, 釋放更大的能量, 這個能量又加劇了外核的熔融 , 這就是液態(tài)外核形成的根本原因。公里以下, 中微子不能到達(dá), 故那里物質(zhì)保持固態(tài)。中微子地球演化說的證據(jù)：中微子之所以能夠被地球物質(zhì)吸收, 其原因就在于它入射地球后 , 被地球物質(zhì)的原子和電子散射, 消耗了能量。對于一般天體而言, 它們的原子和電子同樣能散射中微子, 消耗中微子的能量, 因而中微子也應(yīng)該能夠被天體物質(zhì)吸收。當(dāng)然 , 中微子被天體物質(zhì)大幅度吸收必須滿足一定的條件, 那就是天體中必

11、須有足夠的原子和電子散射中微子, 使中微子減速變成易于被物質(zhì)吸收的慢中微子。要保證有足夠多的原子和電子, 其一 , 天體的直徑（或體積）必須滿足一定的值；其二, 天體的密度不能太小。如果天體的直徑太短, 密度太小 , 那么當(dāng)中微子穿過天體時, 與中微子作用的原子和電子的數(shù)量就不夠多, 中微子的能量消耗就不足以使其變成易于被吸收的慢中微子。這時 , 中微子就會暢通無阻地穿過天體而不被吸收。如果天體的直徑和密度達(dá)到一定值 , 使得與中微子發(fā)生作用（散射）的原子和電子足夠多, 那么中微子就可以被減速變成慢中微子, 從而被天體物質(zhì)吸收。因此中微子被天體物質(zhì)吸收的條件是, 天體的直徑和密度必須達(dá)到一定的

12、值。這里我們可以用天體的直徑（D）與密度（ ）的乘積（D ）來表示 , 即天體能夠大幅度吸收中微子的條件是：D K其中 K為某一定值, 也就是天體大幅度吸收中微子的臨界值。3 / 4對于地球來說, 我們已經(jīng)知道, 其大幅度吸收中微子的地方在地表下2900 5050km 的外核。也就是說太陽中微子在地球內(nèi)部的最小射程為2900km ,即在地幔與外核的交界處 , 在地球內(nèi)部的最大射程為5050km , 即在外核與內(nèi)核交界處。如果我們暫時不考慮天體的密度, 那么 ,如果某一天體的直徑正好在2900km5050km之間 , 那么可以預(yù)見, 中微子從一側(cè)進(jìn)入天體, 就會在天體另一側(cè)的表面與物質(zhì)發(fā)生作用

13、, 引起天 體表面物質(zhì)熔融, 從而在該天體的表面留下痕跡?？疾樘栂蹈鱾€天體, 我們發(fā)現(xiàn) , 水星、火星和月球等行星和衛(wèi)星的直徑正好處在這個范圍。而這些天體表面最顯著的特點(diǎn)就是都存在大量的環(huán)形山。這些環(huán)形山正是太陽中微子的杰作。當(dāng)太陽中微子從月球的一面進(jìn)入月球, 經(jīng)過月球內(nèi)部物質(zhì)的散射、減速, 到達(dá)另一面時 , 就會被月球表面物質(zhì)吸收, 并釋放熱量, 致使月表物質(zhì)熔融。熔融物質(zhì)向下滲透, 引起表面物質(zhì)坍陷, 于是就形成了所謂的環(huán)形山構(gòu)造。由于太陽和月球的運(yùn)動, 中微子的輻射不可能在某一地點(diǎn)保持不變, 當(dāng)太陽和月球的位子發(fā)生變化厚后 , 原來發(fā)生熔融地方的中微子輻射就會減少, 這時此處物質(zhì)對中微

14、子的吸收便逐漸終止 , 熔融的物質(zhì)也開始凝固。然而, 經(jīng)過一個周期后, 太陽和月球又會回到原來的相對位置 , 于是太陽中微子又在此處被物質(zhì)吸收放熱, 導(dǎo)致物 質(zhì)熔融 , 并再次引起表面物質(zhì)坍陷,如此反復(fù)多次, 就在月球表面形成了許多同心環(huán)結(jié)構(gòu)。這種同心環(huán)結(jié)構(gòu)是火山噴發(fā)和撞擊作用所無法形成的。當(dāng)然 , 環(huán)形山和月海的形成, 決非一日之功, 而是日積月累的結(jié)果 , 直到現(xiàn)在一些環(huán)形山也應(yīng)海在形成之中。環(huán)形山的形成過程是一個劇烈反應(yīng)和大面積物質(zhì)熔融的過程,在這個規(guī)模宏大的過程這中, 必定會產(chǎn)生放電現(xiàn)象, 發(fā)出各種可見光。同時, 物質(zhì)的熔融必然會導(dǎo)致大量氣體釋放, 形成霧氣。由于這種物質(zhì)熔融和發(fā)光等現(xiàn)象是由太陽中微子所引起的 , 當(dāng)太陽和月球的相對位置發(fā)生變化后, 這一現(xiàn)象即告終止 , 所以 , 物質(zhì)熔融和發(fā)光等現(xiàn)象都比較短暫。這就是月球發(fā)光等短暫現(xiàn)象的來源。不過, 由于許多短暫現(xiàn)象十分微弱 , 人類不可能觀察到, 只有極