固體地球物理學(xué)概論第二章-02

1、 1 1）軌道的規(guī)律性）軌道的規(guī)律性 l共面性：共面性：行星軌道平面幾乎平行，且與行星軌道平面幾乎平行，且與 太陽(yáng)赤道面平行。太陽(yáng)赤道面平行。 l同向性：同向性：行星公轉(zhuǎn)方向，除金星、天王行星公轉(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)较颉Ｖ?，為逆時(shí)針?lè)较颉?l近圓性：近圓性：行星軌道偏心率小，除水星行星軌道偏心率小，除水星 （0.2060.206）和冥王星（）和冥王星（0.2480.248）以外，均）以外，均 小于小于0.10.1。 l 2 2）日距分布特征）日距分布特征BodeBode定律定律 l r rn n = 0.4 +

2、 0.3 = 0.4 + 0.3* * 2 2n n l 其中其中n n為行星秩序數(shù)，水星取為行星秩序數(shù)，水星取，金星取，金星取0 0， 地球取地球取1 1，火星取，火星取2 2，木星取，木星取3 3，冥王星取，冥王星取8 8。 l 3 3）質(zhì)量與密度分布特征）質(zhì)量與密度分布特征 l 太陽(yáng)占了太陽(yáng)系總質(zhì)量的太陽(yáng)占了太陽(yáng)系總質(zhì)量的99.85%99.85%，行星占，行星占 0.135%0.135%，其它占，其它占0.015%0.015%。若將行星分為三類，。若將行星分為三類， 即即 類地星（水星、金星、地球、火星）、巨類地星（水星、金星、地球、火星）、巨 行星（木星、土星）和遠(yuǎn)日星（天王星、海王行

3、星（木星、土星）和遠(yuǎn)日星（天王星、海王 星、冥王星），則有星、冥王星），則有 l質(zhì)量分布：類地星巨行星質(zhì)量分布：類地星巨行星 遠(yuǎn)日星遠(yuǎn)日星 l密度分布：類地星密度分布：類地星 巨行星巨行星 遠(yuǎn)日星遠(yuǎn)日星 l4)4)太陽(yáng)系的年齡太陽(yáng)系的年齡 l根據(jù)根據(jù)同位數(shù)測(cè)定同位數(shù)測(cè)定，地球、月球和隕石的，地球、月球和隕石的 年齡約在年齡約在4545億年億年左右，如果太陽(yáng)系中所左右，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)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)為系的年齡也應(yīng)為4545億年。億年。 l5 5）太陽(yáng)系天體的自轉(zhuǎn)）太陽(yáng)系天體的自轉(zhuǎn) l行星的自轉(zhuǎn)可分兩種情況，行星的自轉(zhuǎn)可分兩種情況

4、，類地星自轉(zhuǎn)類地星自轉(zhuǎn) 速率差異較大，速率差異較大，金星需金星需244244天，火星只需天，火星只需 1.031.03天；巨行星和遠(yuǎn)日星自轉(zhuǎn)較快，均天；巨行星和遠(yuǎn)日星自轉(zhuǎn)較快，均 不到不到1 1天。天。 l太陽(yáng)自轉(zhuǎn)有太陽(yáng)自轉(zhuǎn)有“赤道加速赤道加速”現(xiàn)象，現(xiàn)象，即赤道即赤道 處自轉(zhuǎn)約處自轉(zhuǎn)約25.425.4天，兩極附近約天，兩極附近約3535天，其天，其 內(nèi)部旋轉(zhuǎn)速度更快，可能比表面快十幾內(nèi)部旋轉(zhuǎn)速度更快，可能比表面快十幾 甚至幾十倍。甚至幾十倍。 l行星自轉(zhuǎn)軸也不同，行星自轉(zhuǎn)軸也不同，見(jiàn)下圖。見(jiàn)下圖。 2.2 2.2 太太 陽(yáng)陽(yáng) 系系 起起 源源 Origin of the Solar Syst

5、em 任何事物都有它的產(chǎn)生、發(fā)展和衰亡的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)系的起源，過(guò)程，太陽(yáng)系也不例外。太陽(yáng)系的起源， 也即地球的起源問(wèn)題。也即地球的起源問(wèn)題。 從從1775年年康德康德根據(jù)牛頓的萬(wàn)有引力定律，根據(jù)牛頓的萬(wàn)有引力定律， 提出提出星云假說(shuō)星云假說(shuō)以來(lái)，國(guó)際上先后提出過(guò)以來(lái)，國(guó)際上先后提出過(guò) 40多種假說(shuō)，歸納起來(lái)，多種假說(shuō)，歸納起來(lái)，主要有主要有“災(zāi)變?yōu)淖?說(shuō)說(shuō)”、“俘獲說(shuō)俘獲說(shuō)”、“原始星云說(shuō)原始星云說(shuō)”， 以及以及“新星云假說(shuō)新星云假說(shuō)”。 一、新星云假說(shuō)一、新星云假說(shuō) 1. 災(zāi)變說(shuō)災(zāi)變說(shuō) 這種假說(shuō)認(rèn)為，這種假說(shuō)認(rèn)為，太陽(yáng)系的形成是某種極太陽(yáng)系的

6、形成是某種極 其偶然事件的結(jié)果。它屬于激變說(shuō)其偶然事件的結(jié)果。它屬于激變說(shuō) 災(zāi)變說(shuō)認(rèn)為，災(zāi)變說(shuō)認(rèn)為，太陽(yáng)是先形成的，太陽(yáng)是先形成的，行星和行星和 衛(wèi)星后形成。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)中或距離很近時(shí)，從太陽(yáng)中“拉出拉出”一部一部 分物質(zhì)，并賦予巨大的轉(zhuǎn)動(dòng)角動(dòng)量，這分物質(zhì)，并賦予巨大的轉(zhuǎn)動(dòng)角動(dòng)量，這 些物質(zhì)后來(lái)逐漸形成了行星及其衛(wèi)星。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（年，法國(guó)生物學(xué)家布封（G. L. L. Buffon，17071788）在）在一般的和特一般的和特 殊的自然史殊的自然史中

7、，提出了第一個(gè)行星形中，提出了第一個(gè)行星形 成的成的“災(zāi)變說(shuō)災(zāi)變說(shuō)”。認(rèn)為一顆慧星掠碰了認(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)太陽(yáng)，行星、衛(wèi)星是由撞出的太陽(yáng)物質(zhì) 形成的。形成的。 布封的學(xué)說(shuō)，雖然在科學(xué)上是錯(cuò)誤的，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)步但在反對(duì)宗教的上帝創(chuàng)造說(shuō)中起過(guò)進(jìn)步 作用。作用。 2 俘獲說(shuō)俘獲說(shuō) 風(fēng)靡一時(shí)的俘獲說(shuō)是風(fēng)靡一時(shí)的俘獲說(shuō)是1944年由年由前蘇聯(lián)地前蘇聯(lián)地 球物理學(xué)家施密特球物理學(xué)家施密特（18911956）提出）提出 來(lái)的。有時(shí)又被稱為來(lái)的。有時(shí)又被稱為“隕星學(xué)說(shuō)隕星學(xué)說(shuō)”。 俘獲說(shuō)也是俘獲說(shuō)也是認(rèn)為太陽(yáng)是先形成的

8、，但與認(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)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)的引力俘獲而是來(lái)自其它星際，被太陽(yáng)的引力俘獲而 來(lái)的，如隕石來(lái)的，如隕石。 按施密特意見(jiàn)，按施密特意見(jiàn)，地球從來(lái)不是全部熾熱地球從來(lái)不是全部熾熱 的或氣態(tài)的，而是由冷的塵埃般的隕石的或氣態(tài)的，而是由冷的塵埃般的隕石 物質(zhì)形成的，物質(zhì)形成的，這是施密特假說(shuō)不同于其這是施密特假說(shuō)不同于其 他假說(shuō)的地方。他假說(shuō)的地方。 俘獲說(shuō)雖有其合理的地方，但仍存在著俘獲說(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，許多沒(méi)有解決的問(wèn)題。例如，當(dāng)太陽(yáng)和當(dāng)太陽(yáng)和 星際物質(zhì)云的角動(dòng)量相

9、差很大時(shí)，俘獲星際物質(zhì)云的角動(dòng)量相差很大時(shí)，俘獲 是不可能的。是不可能的。1953年施密特自己也承認(rèn)年施密特自己也承認(rèn) 這一點(diǎn)。這一點(diǎn)。 3 星云假說(shuō)星云假說(shuō) Nebular Hypothesis 星云假說(shuō)屬于星云假說(shuō)屬于“漸變說(shuō)漸變說(shuō)”范疇。范疇。這種學(xué)這種學(xué) 說(shuō)認(rèn)為，說(shuō)認(rèn)為，太陽(yáng)系乃由同一原始星云物質(zhì)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。突變性事件的結(jié)果。 1755年，康德（年，康德（I. Kant，17241804） 根據(jù)牛頓的萬(wàn)有引定律，根

10、據(jù)牛頓的萬(wàn)有引定律，提出了關(guān)于太提出了關(guān)于太 陽(yáng)系起源的星云說(shuō)。陽(yáng)系起源的星云說(shuō)。 (1)(1) 他認(rèn)為形成太陽(yáng)系的他認(rèn)為形成太陽(yáng)系的物質(zhì)基礎(chǔ)是星物質(zhì)基礎(chǔ)是星 云，云，即大團(tuán)的旋轉(zhuǎn)著氣體和塵埃；即大團(tuán)的旋轉(zhuǎn)著氣體和塵埃； (2)(2) 形成太陽(yáng)系的形成太陽(yáng)系的動(dòng)力是自引力，動(dòng)力是自引力，即星即星 云各部分的相互吸引力。云各部分的相互吸引力。 康德認(rèn)為康德認(rèn)為 處在混沌之中的宇宙初始物質(zhì)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)始把周圍較小的和比較集的一些質(zhì)點(diǎn)開(kāi)始把周圍較小的和比較 不密的質(zhì)點(diǎn)吸引過(guò)去；不密的質(zhì)點(diǎn)吸引過(guò)去； 以

11、后較小的物質(zhì)凝團(tuán)繼續(xù)向工業(yè)已以后較小的物質(zhì)凝團(tuán)繼續(xù)向工業(yè)已 形成的中心體落去，由于形成的中心體落去，由于相撞使中相撞使中 心體獲得了更大的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而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產(chǎn)生了巨大的灼熱天體太陽(yáng)。太陽(yáng)。 （3）隨著旋轉(zhuǎn)速度加大，大量微小塵埃）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)的赤道上集中起物質(zhì)在旋轉(zhuǎn)著原始太陽(yáng)的赤道上集中起 來(lái)，來(lái)，形成了扁平的星云盤(pán)。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，并從中的中心，并從這些中心產(chǎn)生了行星和環(huán)這些中心產(chǎn)生了行星和環(huán) 繞行星的衛(wèi)星。繞行星的衛(wèi)

12、星。 在在41年以后，拉普拉斯（年以后，拉普拉斯（P.S.Laplace， 17491827）提出了和康德的內(nèi)容相似的）提出了和康德的內(nèi)容相似的 “原始星云說(shuō)原始星云說(shuō)”。 由于康德和拉普拉斯的基本觀點(diǎn)相同，都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)稱為康德來(lái)人們把二者統(tǒng)稱為康德-拉普拉斯原始星拉普拉斯原始星 云說(shuō)。云說(shuō)。 但是，但是， 應(yīng)該指出，兩人的原始星云說(shuō)應(yīng)該指出，兩人的原始星云說(shuō) 也是也是有區(qū)別的。拉普拉斯認(rèn)為原始星有區(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)有提到云是熾熱發(fā)光的，而康德

13、卻沒(méi)有提到 這上點(diǎn)。這上點(diǎn)。 由于康德和拉普拉斯的學(xué)說(shuō)，是建立由于康德和拉普拉斯的學(xué)說(shuō)，是建立 在在牛頓力學(xué)理論基礎(chǔ)上牛頓力學(xué)理論基礎(chǔ)上的，因此不可的，因此不可 避免地在科學(xué)上有它的避免地在科學(xué)上有它的局限性。局限性。 但是，它是人類認(rèn)識(shí)宇宙過(guò)程中的但是，它是人類認(rèn)識(shí)宇宙過(guò)程中的 又一里程碑，它在宇宙起源學(xué)說(shuō)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。發(fā)展上起過(guò)巨大的作用。 康德康德-拉普拉斯的基本論點(diǎn)卻受到了拉普拉斯的基本論點(diǎn)卻受到了 時(shí)間的考驗(yàn)。時(shí)間的考驗(yàn)。 在此后半個(gè)多世紀(jì)里，人們普遍贊同星在此后半個(gè)多世紀(jì)里，人們普遍贊同星 云說(shuō)。云說(shuō)。 但是，但是，星云說(shuō)在當(dāng)時(shí)不能解釋如角

14、動(dòng)量星云說(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)。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)。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)。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。種激變主產(chǎn)盛行時(shí)期。 著名的激變說(shuō)有：著名的激變說(shuō)有：1878年，新西蘭天文年，新西蘭天文 學(xué)家畢克頓（學(xué)家畢克頓（A.W.Bickerton）認(rèn)為，兩）認(rèn)為，兩 顆恒星碰撞產(chǎn)生類似新星的爆炸，拋出顆恒星碰撞產(chǎn)生類似新星的爆炸，拋出 的物質(zhì)形成行星

15、；的物質(zhì)形成行星； 英國(guó)的勒斯（英國(guó)的勒斯（J.K.Jeans）提出風(fēng)靡一時(shí)）提出風(fēng)靡一時(shí) 的的“潮汐說(shuō)潮汐說(shuō)”，他認(rèn)為有一顆恒星從太他認(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；潮，分離出物質(zhì)形成行星； 杰弗瑞斯的杰弗瑞斯的“碰撞說(shuō)碰撞說(shuō)”，更認(rèn)為是另一更認(rèn)為是另一 顆恒星擦邊碰了太陽(yáng)，才形成行星顆恒星擦邊碰了太陽(yáng)，才形成行星. 等等等等. 在地球起源的學(xué)說(shuō)的研究中，最困在地球起源的學(xué)說(shuō)的研究中，最困 難的問(wèn)題依然是難的問(wèn)題依然是角動(dòng)量角動(dòng)量問(wèn)題。問(wèn)題。角動(dòng)角動(dòng) 量是轉(zhuǎn)動(dòng)的一種量度，它大致等于量是轉(zhuǎn)動(dòng)的一種量度，它大致等于

16、 質(zhì)量、速度和軌道半徑的乘積。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)量約為行星在太陽(yáng)系里，太陽(yáng)的質(zhì)量約為行星 總質(zhì)量的總質(zhì)量的750倍，倍，占全系統(tǒng)的占全系統(tǒng)的99%以以 上，但它的角動(dòng)量卻只有全系統(tǒng)的上，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，行星的質(zhì)量雖小，但角動(dòng)量卻 很大。很大。 1972年，霍伊爾（年，霍伊爾（F.hoyle）從經(jīng)典）從經(jīng)典 的星云假說(shuō)出發(fā)，考慮星際空間的的星云假說(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。陽(yáng)系特

17、殊的角動(dòng)量問(wèn)題。 到目前為止到目前為止,已有很多假說(shuō)來(lái)解釋太陽(yáng)系已有很多假說(shuō)來(lái)解釋太陽(yáng)系 的起源的起源,但大家公認(rèn)最好的假說(shuō)是星云假但大家公認(rèn)最好的假說(shuō)是星云假 說(shuō)說(shuō). Many hypotheses have been developed to explain the origin 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

18、collapse due to the mutual gravitational attraction between all 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-like Space Structure Previews Death of Our Sun

19、 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 Nebula (2) As the nebula collapses, it begins to spin faster, and the spin rate increases as the nebula gets smaller. This

20、is because of a property of spinning objects called angular momentum. One law of physics says that 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 n

21、ebula, becomes 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 pull the nebula together into a ball. The spin of the nebula counteracts the eff

22、ect 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 time, 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 i

23、t than do the areas further out in the disk, and thus has a higher 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 protostar. (5) At some poin

24、t, 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 particles, and these particles and bits of dust begin to coalesce into small bodies called planetesima

25、ls (sort of mini planets). (7) Over time, the planetesimals collide and group together into larger and larger bodies, 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 stab

26、le configuration. Overall, this process from collapse to solar system takes something like 0.1-1 billion years. 4、戴文賽的新星云假說(shuō)、戴文賽的新星云假說(shuō) 戴文賽先生（戴文賽先生（19111979），天文學(xué)家，），天文學(xué)家， 福建人，生前任南京大學(xué)天文系教授、福建人，生前任南京大學(xué)天文系教授、 主任。主任。 天體演化是他的研究方向，特別著重于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。太陽(yáng)系起源問(wèn)題。他在分析和評(píng)價(jià)國(guó)外他在分析和評(píng)價(jià)國(guó)外 和多種假說(shuō)的基礎(chǔ)上，和多種假說(shuō)的基礎(chǔ)上

27、，提出自己的太陽(yáng)提出自己的太陽(yáng) 系起源（其中包括地球起源）假說(shuō)。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該假說(shuō)繼承和發(fā)展了康德和拉普斯的星 云說(shuō)，較全面、較系統(tǒng)和有內(nèi)在聯(lián)系地云說(shuō)，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)，論述了太陽(yáng)系各種特征的由來(lái)，其中對(duì)其中對(duì) 波特定則的說(shuō)明，對(duì)木星、土星、天王波特定則的說(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，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。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)戴文賽先生認(rèn)為：行星的形成要經(jīng)過(guò) “原始星云原始星云星云盤(pán)星云盤(pán)塵

28、層塵層星子星子行行 星星”這樣幾個(gè)步驟。這樣幾個(gè)步驟。 （1）原始星云的形成）原始星云的形成 原始星云是由一塊星際云塊塌縮并瓦解原始星云是由一塊星際云塊塌縮并瓦解 而成的。而成的。 首先要考慮星際云的塌縮，這里要用到首先要考慮星際云的塌縮，這里要用到 研究物質(zhì)團(tuán)收縮和膨脹的研究物質(zhì)團(tuán)收縮和膨脹的一個(gè)重要物理一個(gè)重要物理 定理定理維里定理。維里定理。 維里定理所要分析的是，使其膨脹的能維里定理所要分析的是，使其膨脹的能 量量U（如分子熱運(yùn)動(dòng)熱能）和使其收縮的（如分子熱運(yùn)動(dòng)熱能）和使其收縮的 能量能量（如引力位勢(shì)）是否平衡。（如引力位勢(shì)）是否平衡。 根據(jù)根據(jù)U、的物理意義不難得出：的物理意義不難得

29、出： 當(dāng)當(dāng) 2U+0時(shí)，物資團(tuán)膨脹；時(shí)，物資團(tuán)膨脹； 當(dāng)當(dāng) 2U+0時(shí)，物資團(tuán)收縮；時(shí)，物資團(tuán)收縮； 當(dāng)當(dāng) 2U+0時(shí)，該物資團(tuán)處于既不膨時(shí)，該物資團(tuán)處于既不膨 脹也不收縮的平衡狀態(tài)。脹也不收縮的平衡狀態(tài)。 對(duì)于一個(gè)天體系統(tǒng)，同樣要考慮維里定對(duì)于一個(gè)天體系統(tǒng)，同樣要考慮維里定 理。理。 根據(jù)維里定理，當(dāng)根據(jù)維里定理，當(dāng)忽略忽略自轉(zhuǎn)、磁場(chǎng)及湍自轉(zhuǎn)、磁場(chǎng)及湍 流，只考慮引力勢(shì)能和熱能時(shí)，流，只考慮引力勢(shì)能和熱能時(shí)，可得出可得出 如下星際云自吸引塌縮條件：如下星際云自吸引塌縮條件： M2.44103M0. 式中式中 M0=1.991033g，為太陽(yáng)現(xiàn)質(zhì)量。，為太陽(yáng)現(xiàn)質(zhì)量。M為為 星際云質(zhì)量。星際云質(zhì)

30、量。該式表明，星際云質(zhì)量比太陽(yáng)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?，F(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當(dāng)星際云塌縮到密度為10-15g/cm3時(shí)，內(nèi)部會(huì)時(shí)，內(nèi)部會(huì) 發(fā)生不穩(wěn)定情況，發(fā)生不穩(wěn)定情況，即：出現(xiàn)擾動(dòng)物時(shí)，會(huì)造即：出現(xiàn)擾動(dòng)物時(shí)，會(huì)造 成渦流，成渦流，將星際云瓦解為上千個(gè)小云，其中將星際云瓦解為上千個(gè)小云，其中 之一則是太陽(yáng)系前身之一則是太陽(yáng)系前身原始星云。原始星云。 原始星云原始星云其其質(zhì)量質(zhì)量為為M0，=11.3。原始星。原始星 云的角動(dòng)量約為今日太陽(yáng)系角動(dòng)量的云的角動(dòng)量約為今日太陽(yáng)系角動(dòng)量的158 200倍。倍。 （2）、星云盤(pán)的形成星云盤(pán)

31、的形成 原始星云盤(pán)繼續(xù)塌縮，半徑逐漸減小，原始星云盤(pán)繼續(xù)塌縮，半徑逐漸減小，因角因角 動(dòng)量守恒，造成自轉(zhuǎn)速度增大。動(dòng)量守恒，造成自轉(zhuǎn)速度增大。赤道面上的赤道面上的 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)，逐漸形式類似力相抗衡時(shí)，便停下來(lái)，逐漸形式類似“鐵鐵 餅餅”的星云盤(pán)。的星云盤(pán)。星云盤(pán)形成的同時(shí)，云盤(pán)中星云盤(pán)形成的同時(shí)，云盤(pán)中 心的原始太陽(yáng)亦形成。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)，需要介紹計(jì)，需要介紹羅奇密度的概念。羅奇密度的概念。 首先讓我們看圖首先讓我們看圖

32、2.2-1所示大小球吸引的例子。所示大小球吸引的例子。 分析分析兩個(gè)小球在大球作用下聚集的條件兩個(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大球作用于靠近它的小球1和遠(yuǎn)離它的小和遠(yuǎn)離它的小 球球2的引力，分別為的引力，分別為 因?yàn)橐驗(yàn)镕1F2，若沒(méi)有其它力的作用，這，若沒(méi)有其它力的作用，這 兩個(gè)小球就要在共同靠近大球的過(guò)程中，兩個(gè)小球就要在共同靠近大球的過(guò)程中， 彼此分開(kāi)。彼此分開(kāi)。但是，但是，兩個(gè)小球之間還存在兩個(gè)小球之間還存在 引力引力，大小為，大小為 2 1 )(ra GMm F 2 2 )(ra GMm F 這個(gè)力使兩個(gè)小球彼此聚集。這個(gè)力使兩個(gè)小球彼此聚集。顯然，顯然， 使

33、兩個(gè)小球聚集而不致分開(kāi)的條件使兩個(gè)小球聚集而不致分開(kāi)的條件 是是 f12F1F2 2 2 12 4r Gm f 將將F1 、 F2 和和 f12的表達(dá)式代入上式，經(jīng)的表達(dá)式代入上式，經(jīng) 整理后變成：整理后變成： 04（Ma3） 式中式中0稱為羅奇密度，上式稱為聚集條稱為羅奇密度，上式稱為聚集條 件。件。 上述關(guān)系是在一個(gè)大球和兩個(gè)小球這種上述關(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。情況下導(dǎo)出來(lái)的。 作為一般情況，除作為一般情況，除引力引力外，還存在小球外，還存在小球 軌道運(yùn)動(dòng)的軌道運(yùn)動(dòng)的離心力、電磁力離心力、電磁力等其它作用，等其它作用， 這時(shí)這時(shí)上式中的系數(shù)不為上式中的系數(shù)不為4，可

34、能還要大些，可能還要大些， 一般寫(xiě)成一般寫(xiě)成，故此得出，故此得出 0（Ma3） 可以用上式分析氣體星云在太陽(yáng)引力下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。的穩(wěn)定性問(wèn)題。 當(dāng)氣體星云的密度當(dāng)氣體星云的密度達(dá)到由太陽(yáng)質(zhì)量和達(dá)到由太陽(yáng)質(zhì)量和 距離決定的羅奇密度距離決定的羅奇密度0 0時(shí)，太陽(yáng)的引時(shí)，太陽(yáng)的引 力與氣體星云內(nèi)物質(zhì)自身引力相平衡。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。力的穩(wěn)定性，開(kāi)始行星的聚集過(guò)程。 現(xiàn)太陽(yáng)質(zhì)量現(xiàn)太陽(yáng)質(zhì)量 M=1.99=1.99101033 33g g，日地 ，日

35、地 距離距離=1.49=1.49101013 13cm cm。若僅考慮引。若僅考慮引 力（取力（取=4=4）可計(jì)算；羅奇密度）可計(jì)算；羅奇密度 0 0=2.3=2.31010-3 -3g/cm g/cm3 3。 地球密度地球密度=5.5g/cm=5.5g/cm3 3 0 0，故，故 地球在太陽(yáng)引力作用下，不會(huì)被分地球在太陽(yáng)引力作用下，不會(huì)被分 離，但可產(chǎn)生變形（固體潮）。離，但可產(chǎn)生變形（固體潮）。 星云盤(pán)溫度星云盤(pán)溫度 由太陽(yáng)輻射、云盤(pán)消光和云由太陽(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)界溫度為算出，云盤(pán)內(nèi)界溫度為1900K，云

36、盤(pán)，云盤(pán) 外界溫度為外界溫度為15K。 （3）塵層的形成）塵層的形成 云盤(pán)中云盤(pán)中塵粒（包括土物質(zhì)和冰物質(zhì)）跟塵粒（包括土物質(zhì)和冰物質(zhì)）跟 氣體一起繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，氣體一起繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)也做布朗運(yùn)同時(shí)也做布朗運(yùn) 動(dòng)，彼此發(fā)生碰撞，結(jié)合成顆粒（碰撞動(dòng)，彼此發(fā)生碰撞，結(jié)合成顆粒（碰撞 吸積），并在引力吸積），并在引力z方向分量作用下，顆方向分量作用下，顆 ?？朔怏w阻力，粒克服氣體阻力，向赤道沉降，逐漸形向赤道沉降，逐漸形 成塵層。成塵層。 （4）星子的形成星子的形成 當(dāng)塵層的當(dāng)塵層的物質(zhì)密度足夠大物質(zhì)密度足夠大時(shí)，時(shí)，局部擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)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)致引力不穩(wěn)定性，

37、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)。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)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?？s，聚集成固體星子。 瓦解之后的星子質(zhì)量估計(jì)為瓦解之后的星子質(zhì)量估計(jì)為1018g（內(nèi)區(qū)）到（內(nèi)區(qū)）到 1020g（外區(qū)）。（外區(qū)）。各物質(zhì)團(tuán)自吸引收縮，很快各物質(zhì)團(tuán)自吸引收縮，很快 形成星子。形成星子。 估計(jì)估計(jì)地球處地球處由由物質(zhì)團(tuán)形成星子的時(shí)間為物質(zhì)團(tuán)形成星子的時(shí)間為104a， 木星處的時(shí)間為木星處的時(shí)間為106a。 (5)(5) 行星（胎）的形成行星（胎）的形成 初始星子繞太陽(yáng)作開(kāi)普勒運(yùn)動(dòng)

38、外，還有初始星子繞太陽(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，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)合或者因而頻繁地相遇和碰撞，發(fā)生結(jié)合或者 碎裂。碎裂。實(shí)驗(yàn)表明，相對(duì)速度小于實(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)的星子碰撞，其結(jié)果總是結(jié)合，而相對(duì) 速度大于速度大于1 km/s的星子碰撞，其結(jié)果可的星子碰撞，其結(jié)果可 能發(fā)生碎裂。前者成為更大星子，后者能發(fā)生碎裂。前者成為更大星子，后者 成為更小星子。成為更小星子。 大星子引力較強(qiáng)，大星子引力較強(qiáng)，更有效地吸積周圍的更有效地吸積周圍的 物質(zhì)和小星子（引力吸積），物質(zhì)

39、和小星子（引力吸積），迅速成長(zhǎng)迅速成長(zhǎng)。 小星子引力較弱，小星子引力較弱，吸積殘余塵粒而吸積殘余塵粒而緩慢緩慢 生長(zhǎng)。生長(zhǎng)。較大星子較大星子（直徑大于（直徑大于1 km）因?yàn)橐驗(yàn)?自身吸引力場(chǎng)強(qiáng)，自身吸引力場(chǎng)強(qiáng)，由碰撞聚積為主過(guò)渡由碰撞聚積為主過(guò)渡 到引力吸積為主。到引力吸積為主。物質(zhì)不斷聚集到大星物質(zhì)不斷聚集到大星 子上，使其生長(zhǎng)更快更大，子上，使其生長(zhǎng)更快更大，最大星子成最大星子成 為行星胎。為行星胎。 由星子結(jié)合行星時(shí)間，各人用不同方法由星子結(jié)合行星時(shí)間，各人用不同方法 估算，就地球而言，竟差估算，就地球而言，竟差34量級(jí)。據(jù)量級(jí)。據(jù) 戴文賽估計(jì)，戴文賽估計(jì)，地球形成時(shí)間為地球形成時(shí)間為

40、106107a， 木星（固體核）形成時(shí)間為木星（固體核）形成時(shí)間為107a，水星水星 為為104106a。這與隕星母體的形成時(shí)間這與隕星母體的形成時(shí)間 為幾千萬(wàn)年大致相符。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)二、新星云假說(shuō)對(duì)若干觀測(cè)事實(shí) 的解釋的解釋 一個(gè)假說(shuō)能否成立，不僅在于這個(gè)假說(shuō)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)，而且在于能否解釋已有的能自圓其說(shuō)，而且在于能否解釋已有的 觀測(cè)事實(shí)，并為以后新的觀測(cè)事實(shí)所證觀測(cè)事實(shí)，并為以后新的觀測(cè)事實(shí)所證 明。明。 1、行星軌道運(yùn)動(dòng)的解釋、行星軌道運(yùn)動(dòng)的解釋 行星要解釋的是軌道運(yùn)動(dòng)的行星要解釋的是軌道運(yùn)動(dòng)的同向性、共同向性、共

41、面性和近圓性。面性和近圓性。 對(duì)于對(duì)于同向性同向性，顯然這是因?yàn)樗鼈冇赏伙@然這是因?yàn)樗鼈冇赏?自轉(zhuǎn)的原始星云形成的必然結(jié)果。自轉(zhuǎn)的原始星云形成的必然結(jié)果。 對(duì)于對(duì)于共面性和近圓性，也可以從共面性和近圓性，也可以從“塵層塵層 星子星子行星（胎）行星（胎）”過(guò)程的隨機(jī)性質(zhì)過(guò)程的隨機(jī)性質(zhì) 加以解釋。加以解釋。對(duì)于隨機(jī)過(guò)程，有其必然的對(duì)于隨機(jī)過(guò)程，有其必然的 統(tǒng)計(jì)規(guī)律。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，使軌道偏心率積和引力吸積，使軌道偏心率e和軌道傾和軌道傾 角角i平均化較好，即平均化較好，即e和和i 的值都較小。的值都較小。 2、行星

42、體積、質(zhì)量和密度分布的解、行星體積、質(zhì)量和密度分布的解 釋釋 行星可分為三類：行星可分為三類：類地行星，巨行星和類地行星，巨行星和 遠(yuǎn)日行星遠(yuǎn)日行星。各行星的質(zhì)量、半徑和密度。各行星的質(zhì)量、半徑和密度 已在前面作了介紹。已在前面作了介紹。 顯然，顯然，行星大小和質(zhì)量分布特征是兩頭行星大小和質(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。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結(jié)果，反映了各類行星在形成條件上的 差別。差別

43、。 類地行星區(qū)溫度高，類地行星區(qū)溫度高，只有土物質(zhì)凝聚，而冰只有土物質(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。物質(zhì)逃離太陽(yáng)系。 巨行星區(qū)的溫度不如類地行星區(qū)高巨行星區(qū)的溫度不如類地行星區(qū)高，巨行星，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）。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。這就導(dǎo)致三個(gè)區(qū)的化學(xué)組成的差異。含土物含土物 質(zhì)多的類地行

44、星密度大，含氣物質(zhì)多的巨行質(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)行星公轉(zhuǎn)軌道半徑的分布，遵從統(tǒng)計(jì)規(guī) 律律波特定則波特定則。它有多種表示式。其中，。它有多種表示式。其中， 可由相鄰軌道半長(zhǎng)軸可由相鄰軌道半長(zhǎng)軸n表示成如下等比表示成如下等比 級(jí)數(shù)形式：級(jí)數(shù)形式： a n1an1.690.26 觀測(cè)值與計(jì)算值在內(nèi)行星符合得很好，觀測(cè)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。而外行星符合得較差。 4 行星定居順序及數(shù)目的解釋行

45、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)而減小因?yàn)閴m層的密度隨遠(yuǎn)離太陽(yáng)而減小，星，星 子生長(zhǎng)率與密度成正比，子生長(zhǎng)率與密度成正比，故可知靠近太故可知靠近太 陽(yáng)的行星先形成。陽(yáng)的行星先形成。水星胎形成時(shí)，金星水星胎形成時(shí)，金星 區(qū)已有了大星子，它同水星胎爭(zhēng)奪邊界區(qū)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)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，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)。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)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)。的數(shù)量有

46、關(guān)。 若星云盤(pán)內(nèi)可吸積物質(zhì)為若星云盤(pán)內(nèi)可吸積物質(zhì)為0.00135M0時(shí)，時(shí)， 形成九個(gè)行星和小行星；形成九個(gè)行星和小行星；當(dāng)云盤(pán)內(nèi)可吸當(dāng)云盤(pán)內(nèi)可吸 積物質(zhì)積物質(zhì)增加增加12倍倍時(shí)，時(shí)，只形成三個(gè)行星只形成三個(gè)行星； 當(dāng)云盤(pán)內(nèi)可吸積物質(zhì)當(dāng)云盤(pán)內(nèi)可吸積物質(zhì)增加增加340倍倍時(shí)，則時(shí)，則只只 形成一個(gè)天體，太陽(yáng)系便成雙星系了形成一個(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。動(dòng)量卻大，相差非常懸殊。 這一角動(dòng)量的特殊

47、分布，很自然使人們這一角動(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)在大得分，它剛形成時(shí)角動(dòng)量一定比現(xiàn)在大得 多，多，需要某種機(jī)制轉(zhuǎn)移掉它的角動(dòng)量。需要某種機(jī)制轉(zhuǎn)移掉它的角動(dòng)量。 這種機(jī)制就是這種機(jī)制就是“沙茲曼機(jī)制沙茲曼機(jī)制”。 太陽(yáng)系中太陽(yáng)和行星的角動(dòng)量分布，與太陽(yáng)系中太陽(yáng)和行星的角動(dòng)量分布，與 太陽(yáng)的演化和行星的形成過(guò)程有關(guān)。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)展的金牛計(jì)算表明，太陽(yáng)在其發(fā)展的金牛T階段之階段之 前，角動(dòng)量需要減少幾十倍，才能保證前，角動(dòng)量需要減少幾十倍，才能保證 太陽(yáng)繼

48、續(xù)收縮。太陽(yáng)繼續(xù)收縮。 在這里在這里“沙茲曼機(jī)制沙茲曼機(jī)制”是有效的，是有效的，因?yàn)橐驗(yàn)?那時(shí)太陽(yáng)自轉(zhuǎn)快，表層活動(dòng)劇烈，能夠那時(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，所以可以帶走大量磁場(chǎng)比現(xiàn)在強(qiáng)得多，所以可以帶走大量 角動(dòng)量。角動(dòng)量。 三、地球的形成和演化三、地球的形成和演化（the Formation and Evolution of the earth 1、地球的形成、地球的形成 地球是太陽(yáng)系中一個(gè)普通成員，一顆地球是太陽(yáng)系中一個(gè)普通成員，

49、一顆“規(guī)規(guī) 則則”行星，因此，可以用太陽(yáng)系起源的戴行星，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，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。也解釋地球的形成。 概括地說(shuō)，一個(gè)冷的、自轉(zhuǎn)的原始星云概括地說(shuō)，一個(gè)冷的、自轉(zhuǎn)的原始星云 （質(zhì)量（質(zhì)量1.3M0）因自吸引而收縮）因自吸引而收縮,，中部，中部 形成太陽(yáng)，外部形成星云盤(pán)，凝聚的固體形成太陽(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。顆粒沉降到云盤(pán)中面（赤道面）附近塵層。 塵層各區(qū)的物理塵層各區(qū)的物理-化學(xué)條件不同。化學(xué)條件不同。當(dāng)塵層當(dāng)塵層 的物質(zhì)密度足夠大，可以發(fā)生引力不穩(wěn)的

50、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)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集聚為星子，星子又因吸積而集聚成行 星。星。這就是太陽(yáng)系形成的一般輪廓，也這就是太陽(yáng)系形成的一般輪廓，也 就是各行星形成過(guò)程中的共性。就是各行星形成過(guò)程中的共性。 在塵層的地球區(qū)內(nèi)，在塵層的地球區(qū)內(nèi)，最大星子成為最大星子成為地球地球 胎。胎。由于塵層內(nèi)各區(qū)的星子有大致相同由于塵層內(nèi)各區(qū)的星子有大致相同 的組成，所以地球吸積生長(zhǎng)的的組成，所以地球吸積生長(zhǎng)的初期初期是是均均 一吸積的。一吸積的。 但是，由于大星子及行星胎的攝動(dòng)，星但是，由于大星子及行星胎的攝動(dòng)，

51、星 子改變軌道，可移到相鄰的區(qū)域內(nèi)，因子改變軌道，可移到相鄰的區(qū)域內(nèi)，因 此，此，在地球生長(zhǎng)的后期在地球生長(zhǎng)的后期，一定有，一定有相當(dāng)數(shù)相當(dāng)數(shù) 量的其它區(qū)的星子量的其它區(qū)的星子。尤其是。尤其是鄰近的金星鄰近的金星 區(qū)和火星區(qū)的星子區(qū)和火星區(qū)的星子，在通過(guò)地球區(qū)時(shí)，在通過(guò)地球區(qū)時(shí)， 可以被地球胎吸積，因而在可以被地球胎吸積，因而在地球生長(zhǎng)后地球生長(zhǎng)后 期期對(duì)對(duì)均一吸積有一定的偏差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起決狀況，對(duì)地球形成后的早期演化將起決 定作用。定作用。 2、地球的早期演化地球的早期演化 地球

52、演化問(wèn)題，是地球起源問(wèn)題的自然地球演化問(wèn)題，是地球起源問(wèn)題的自然 延伸。延伸。如果說(shuō)地球起源還離不開(kāi)整個(gè)整如果說(shuō)地球起源還離不開(kāi)整個(gè)整 個(gè)太陽(yáng)系形成的話，個(gè)太陽(yáng)系形成的話，那么地球演化基本那么地球演化基本 是地球自身的改造過(guò)程。是地球自身的改造過(guò)程。只是在它發(fā)展只是在它發(fā)展 的的某一階段經(jīng)受了小天體的撞擊，從而某一階段經(jīng)受了小天體的撞擊，從而 影響它的演化方向。影響它的演化方向。 地球形成后，有過(guò)各種各樣的變化。其地球形成后，有過(guò)各種各樣的變化。其 中，中，影響特別深遠(yuǎn)的是整個(gè)地球分化成影響特別深遠(yuǎn)的是整個(gè)地球分化成 同心圈層，即地核、地幔、地殼、水圈、同心圈層，即地核、地幔、地殼、水圈、 大

53、氣圈以及生物圈。大氣圈以及生物圈。 其中其中地核地核-地幔地幔-地殼，組成固體地球。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也是不容忽視的。的形成和改造的作用也是不容忽視的。 （1）地核和地幔的形成）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，可概括地分為球體？對(duì)此有許多研究，可概括地分為 兩大派，兩大派，均一吸積說(shuō)和非均一吸積說(shuō)。均一吸積說(shuō)和非均一吸積說(shuō)。 非均一吸積說(shuō)認(rèn)為非均一吸積說(shuō)認(rèn)為

54、，在原始星云中鐵和，在原始星云中鐵和 硅已經(jīng)分離。地球的吸積生長(zhǎng)過(guò)程不是硅已經(jīng)分離。地球的吸積生長(zhǎng)過(guò)程不是 均一的，均一的，即先吸積鐵，形成地核，后來(lái)即先吸積鐵，形成地核，后來(lái) 吸積硅酸鹽，形成地幔。吸積硅酸鹽，形成地幔。 均一吸積說(shuō)認(rèn)為均一吸積說(shuō)認(rèn)為，地球所吸積的物質(zhì)在，地球所吸積的物質(zhì)在 組成上是均一的，組成上是均一的，吸積的物質(zhì)同時(shí)含有吸積的物質(zhì)同時(shí)含有 硅和鐵硅和鐵，地核和地幔的分異地核和地幔的分異，是在，是在吸積吸積 過(guò)程或吸積結(jié)束時(shí)開(kāi)始的過(guò)程或吸積結(jié)束時(shí)開(kāi)始的。 一般認(rèn)為，均一吸積說(shuō)的可能性大一般認(rèn)為，均一吸積說(shuō)的可能性大。根。根 據(jù)這種假說(shuō)，原始地球是一個(gè)接近均質(zhì)據(jù)這種假說(shuō)，原始

55、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?；祀s在一起，并沒(méi)有明顯的分層現(xiàn)象。 但是，但是，地球物質(zhì)的均質(zhì)現(xiàn)象是相對(duì)的，地球物質(zhì)的均質(zhì)現(xiàn)象是相對(duì)的， 暫時(shí)的。暫時(shí)的。 在圈層分化過(guò)程中，在圈層分化過(guò)程中，溫度是不容忽視的的外溫度是不容忽視的的外 在條件在條件。在溫度很低時(shí)，各種不同物質(zhì)都以。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漸增大，地球保存的熱能的能力就將逐漸增 加。加。 這樣、放射性元素在蛻變

56、中所產(chǎn)生的熱能，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)部的溫度就逐漸增高，地內(nèi)的積累、地球內(nèi)部的溫度就逐漸增高，地內(nèi) 物質(zhì)也就具有越來(lái)越高的可塑性。物質(zhì)也就具有越來(lái)越高的可塑性。當(dāng)溫度高當(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。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圈層分化的結(jié)果，形成以密度高低為順 序的明顯層次。序的明顯層次。在這里，在這里，物質(zhì)密度的差物質(zhì)密度的差 異，則是圈層分化的內(nèi)在條件。異，則是圈層分化的內(nèi)在條件。 人們知道，地內(nèi)的人們知道，地內(nèi)的較輕物質(zhì)，無(wú)非是硅較輕物質(zhì)，無(wú)非是硅 酸物質(zhì)；酸物質(zhì)； 而而較重物質(zhì)，無(wú)非是鐵和鎳。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)。硅酸物質(zhì)具有低密度和高熔點(diǎn)性質(zhì)。 相反，相反，鐵和鎳具有高密度和低熔點(diǎn)性質(zhì)。鐵和鎳具有高密度和低熔點(diǎn)性質(zhì)。 因此，當(dāng)?shù)貎?nèi)因此，當(dāng)?shù)貎?nèi)溫度足夠高溫度足夠高的時(shí)候，的時(shí)候，鐵和鐵和 鎳就熔化了鎳就熔化了，而，而硅酸物質(zhì)硅酸物質(zhì)仍然保持其仍然保持其固固 體狀態(tài)。體狀態(tài)。 這樣，地球上層的鐵和