固體地球物理學(xué)概論第二章

固體地球物理學(xué)概論第二章第一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五第二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五第三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五第四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五2）日距分布特征——Bode定律

rn=0.4+0.3*2n其中n為行星秩序數(shù)，水星取－∞，金星取0，地球取1，火星取2，木星取3，…，冥王星取8。3）質(zhì)量與密度分布特征太陽占了太陽系總質(zhì)量的99.85%，行星占0.135%，其它占0.015%。若將行星分為三類，即類地星（水星、金星、地球、火星）、巨行星（木星、土星）和遠(yuǎn)日星（天王星、海王星、冥王星），則有第五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五質(zhì)量分布：類地星＞巨行星＜遠(yuǎn)日星密度分布：類地星＞巨行星＞遠(yuǎn)日星4)太陽系的年齡根據(jù)同位數(shù)測定，地球、月球和隕石的年齡約在45億年左右，如果太陽系中所有的行星和隕石在同一時(shí)期形成，太陽系的年齡也應(yīng)為45億年。第六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五5）太陽系天體的自轉(zhuǎn)行星的自轉(zhuǎn)可分兩種情況，類地星自轉(zhuǎn)速率差異較大，金星需244天，火星只需1.03天；巨行星和遠(yuǎn)日星自轉(zhuǎn)較快，均不到1天。太陽自轉(zhuǎn)有“赤道加速”現(xiàn)象，即赤道處自轉(zhuǎn)約25.4天，兩極附近約35天，其內(nèi)部旋轉(zhuǎn)速度更快，可能比表面快十幾甚至幾十倍。行星自轉(zhuǎn)軸也不同，見下圖。第七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五第八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五§2.2太陽系起源

Origin

oftheSolarSystem

任何事物都有它的產(chǎn)生、發(fā)展和衰亡的過程，太陽系也不例外。太陽系的起源，也即地球的起源問題。從1775年康德根據(jù)牛頓的萬有引力定律，提出星云假說以來，國際上先后提出過40多種假說，歸納起來，主要有“災(zāi)變說”、“俘獲說”、“原始星云說”，以及“新星云假說”。第九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五一、新星云假說1.災(zāi)變說這種假說認(rèn)為，太陽系的形成是某種極其偶然事件的結(jié)果。它屬于激變說災(zāi)變說認(rèn)為，太陽是先形成的，行星和衛(wèi)星后形成。由于某個(gè)事件，如一個(gè)恒星與太陽相撞或距離很近時(shí)，從太陽中“拉出”一部分物質(zhì)，并賦予巨大的轉(zhuǎn)動(dòng)角動(dòng)量，這些物質(zhì)后來逐漸形成了行星及其衛(wèi)星。第十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五1745年，法國生物學(xué)家布封（G.L.L.Buffon，1707—1788）在《一般的和特殊的自然史》中，提出了第一個(gè)行星形成的“災(zāi)變說”。認(rèn)為一顆慧星掠碰了太陽，行星、衛(wèi)星是由撞出的太陽物質(zhì)形成的。布封的學(xué)說，雖然在科學(xué)上是錯(cuò)誤的，但在反對宗教的上帝創(chuàng)造說中起過進(jìn)步作用。第十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五2俘獲說風(fēng)靡一時(shí)的俘獲說是1944年由前蘇聯(lián)地球物理學(xué)家施密特（1891—1956）提出來的。有時(shí)又被稱為“隕星學(xué)說”。俘獲說也是認(rèn)為太陽是先形成的，但與災(zāi)變說不同的是，它認(rèn)為原始行星物質(zhì)是來自其它星際，被太陽的引力俘獲而來的，如隕石。第十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五按施密特意見，地球從來不是全部熾熱的或氣態(tài)的，而是由冷的塵埃般的隕石物質(zhì)形成的，這是施密特假說不同于其他假說的地方。俘獲說雖有其合理的地方，但仍存在著許多沒有解決的問題。例如，當(dāng)太陽和星際物質(zhì)云的角動(dòng)量相差很大時(shí)，俘獲是不可能的。1953年施密特自己也承認(rèn)這一點(diǎn)。第十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五3星云假說

NebularHypothesis

星云假說屬于“漸變說”范疇。這種學(xué)說認(rèn)為，太陽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的星云盤物質(zhì)凝聚而成的，并非某種偶然突變性事件的結(jié)果。1755年，康德（I.Kant，1724—1804）根據(jù)牛頓的萬有引定律，提出了關(guān)于太陽系起源的星云說。第十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五(1)

他認(rèn)為形成太陽系的物質(zhì)基礎(chǔ)是星云，即大團(tuán)的旋轉(zhuǎn)著氣體和塵埃；(2)

形成太陽系的動(dòng)力是自引力，即星云各部分的相互吸引力?？档抡J(rèn)為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，更大的和更密集的一些質(zhì)點(diǎn)開始把周圍較小的和比較不密的質(zhì)點(diǎn)吸引過去；第十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五以后較小的物質(zhì)凝團(tuán)繼續(xù)向工業(yè)已形成的中心體落去，由于相撞使中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——太陽。（3）隨著旋轉(zhuǎn)速度加大，大量微小塵埃物質(zhì)在旋轉(zhuǎn)著原始太陽的赤道上集中起來，形成了扁平的星云盤。第十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五以后，在星云盤的邊緣部分形成了物質(zhì)集中的中心，并從這些中心產(chǎn)生了行星和環(huán)繞行星的衛(wèi)星。在41年以后，拉普拉斯（P.S.Laplace，1749—1827）提出了和康德的內(nèi)容相似的“原始星云說”。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，所以后來人們把二者統(tǒng)稱為康德-拉普拉斯原始星云說。第十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五但是，應(yīng)該指出，兩人的原始星云說也是有區(qū)別的。拉普拉斯認(rèn)為原始星云是熾熱發(fā)光的，而康德卻沒有提到這上點(diǎn)。由于康德和拉普拉斯的學(xué)說，是建立在牛頓力學(xué)理論基礎(chǔ)上的，因此不可避免地在科學(xué)上有它的局限性。第十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五但是，它是人類認(rèn)識(shí)宇宙過程中的又一里程碑，它在宇宙起源學(xué)說的發(fā)展上起過巨大的作用?？档?拉普拉斯的基本論點(diǎn)卻受到了時(shí)間的考驗(yàn)。第十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五在此后半個(gè)多世紀(jì)里，人們普遍贊同星云說。但是，星云說在當(dāng)時(shí)不能解釋如角動(dòng)量特殊分布的觀測事實(shí)。在這種情況下，又出現(xiàn)一系列新的假說。由于星云說屬于漸變說，那么，這種新的假說被稱為激變說。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。第二十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五著名的激變說有：1878年，新西蘭天文學(xué)家畢克頓（A.W.Bickerton）認(rèn)為，兩顆恒星碰撞產(chǎn)生類似新星的爆炸，拋出的物質(zhì)形成行星；英國的勒斯（J.K.Jeans）提出風(fēng)靡一時(shí)的“潮汐說”，他認(rèn)為有一顆恒星從太陽近旁一掠而過，使太陽漲出了隆起的潮，分離出物質(zhì)形成行星；杰弗瑞斯的“碰撞說”，更認(rèn)為是另一顆恒星擦邊碰了太陽，才形成行星.等等.第二十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五在地球起源的學(xué)說的研究中，最困難的問題依然是角動(dòng)量問題。角動(dòng)量是轉(zhuǎn)動(dòng)的一種量度，它大致等于質(zhì)量、速度和軌道半徑的乘積。在太陽系里，太陽的質(zhì)量約為行星總質(zhì)量的750倍，占全系統(tǒng)的99%以上，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)量卻很大。第二十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五1972年，霍伊爾（F.hoyle）從經(jīng)典的星云假說出發(fā)，考慮星際空間的磁場作用，定量地計(jì)算了太陽和行星的角動(dòng)量，從而有效地解釋了太陽系特殊的角動(dòng)量問題。第二十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五到目前為止,已有很多假說來解釋太陽系的起源,但大家公認(rèn)最好的假說是星云假說.Manyhypotheseshavebeendevelopedtoexplaintheoriginofoursolarsystem.Thecurrentbesthypothesisiscalledthenebularhypothesis:

第二十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五（1）Aslowlyspinningcloudofdustandgasinspace(anebula)beginstocollapseduetothemutualgravitationalattractionbetweenalltheparticleswhichmakeupthenebula(i.e.,itbeginstocollapse``underitsownweight'').第二十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五

MassiveInfantStarsRocktheirCradle

第二十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五

The"RottenEgg"Nebula:APlanetaryNebulaintheMaking

第二十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五

Ant-likeSpaceStructurePreviewsDeathofOurSun

第二十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五HubbleSeestheGlowofStarFormationinaNeighborGalaxy

第二十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五

TurtleInSpaceDescribesNewHubbleImage

第三十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五LightandShadowintheCarinaNebula

第三十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五

PeeringintotheHeartoftheCrabNebula

第三十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五(2)Asthenebulacollapses,itbeginstospinfaster,andthespinrateincreasesasthenebulagetssmaller.Thisisbecauseofapropertyofspinningobjectscalledangularmomentum.Onelawofphysicssaysthatthetotalangularmomentumofaspinningobjectorsystemofobjects(likethenebula)mustremainthesameasthingschange;itcannotbedestroyedorcreated.Ifaspinningobject,inthiscaseournebula,becomessmaller,itmustspinfastertoconserveitsangularmomentum.(Thissameeffectworksforfigureskaters,bytheway.)第三十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五(3)Asthenebulacollapses,thegravitationalattractionbetweenitsparts``wants''topullthenebulatogetherintoaball.Thespinofthenebulacounteractstheeffectofgravity,butonlyinoneplane;theresultofthesecombinedeffectsofgravityandspinningforcethenebula,overalongperiodoftime,tocollapseintoaspinningdiskwithacentralbulge(thinkofalaserdiskwithagolfballinthemiddle).第三十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五(4)Thecentralbulgehasmorematerialinitthandotheareasfurtheroutinthedisk,andthushasahighergravitationalattraction;theresultisthatthebulgeattractsadditionalmaterialatanincreasingrate.Eventually,theareabecomesdenseenoughthatitbeginstowarmdramatically.Thebulgebecomesaprotostar.第三十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五(5)Atsomepoint,thecentralprotostargathersenoughmaterialtobeginnuclearfusion.Atthatpoint,theprotostarbecomesafully-fledgedstar.(6)Meanwhileoutinthespinningdisk,gascondensesintosolidparticles,andtheseparticlesandbitsofdustbegintocoalesceintosmallbodiescalledplanetesimals(sortofminiplanets).第三十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五(7)Overtime,theplanetesimalscollideandgrouptogetherintolargerandlargerbodies,eventuallyreachingplanetarysize.(8)Eventually,thelargeplanetssweepupmostoftheremainingplanetesimals(andsmallerbodies)andthesolarsystemreachesarelativelystableconfiguration.Overall,thisprocessfromcollapsetosolarsystemtakessomethinglike0.1-1billionyears.第三十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五4、戴文賽的新星云假說戴文賽先生（1911—1979），天文學(xué)家，福建人，生前任南京大學(xué)天文系教授、主任。天體演化是他的研究方向，特別著重于太陽系起源問題。他在分析和評價(jià)國外和多種假說的基礎(chǔ)上，提出自己的太陽系起源（其中包括地球起源）假說。第三十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五該假說繼承和發(fā)展了康德和拉普斯的星云說，較全面、較系統(tǒng)和有內(nèi)在聯(lián)系地論述了太陽系各種特征的由來，其中對波特定則的說明，對木星、土星、天王星的衛(wèi)星和環(huán)帶的說明以及角動(dòng)量問題，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“原始星云→星云盤→塵層→星子→行星”這樣幾個(gè)步驟。第三十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五（1）原始星云的形成原始星云是由一塊星際云塊塌縮并瓦解而成的。首先要考慮星際云的塌縮，這里要用到研究物質(zhì)團(tuán)收縮和膨脹的一個(gè)重要物理定理——維里定理。維里定理所要分析的是，使其膨脹的能量U（如分子熱運(yùn)動(dòng)熱能）和使其收縮的能量Ω（如引力位勢）是否平衡。第四十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五根據(jù)U、Ω的物理意義不難得出：當(dāng)2U+Ω＞0時(shí)，物資團(tuán)膨脹；當(dāng)2U+Ω＜0時(shí)，物資團(tuán)收縮；當(dāng)2U+Ω＝0時(shí)，該物資團(tuán)處于既不膨脹也不收縮的平衡狀態(tài)。對于一個(gè)天體系統(tǒng)，同樣要考慮維里定理。根據(jù)維里定理，當(dāng)忽略自轉(zhuǎn)、磁場及湍流，只考慮引力勢能和熱能時(shí)，可得出如下星際云自吸引塌縮條件：第四十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五

M＞2.44×103M0.

式中M0=1.99×1033g，為太陽現(xiàn)質(zhì)量。M為星際云質(zhì)量。該式表明，星際云質(zhì)量比太陽現(xiàn)質(zhì)量大三個(gè)數(shù)量級，它才會(huì)塌縮。當(dāng)星際云塌縮到密度為10-15g/cm3時(shí)，內(nèi)部會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定情況，即：出現(xiàn)擾動(dòng)物時(shí)，會(huì)造成渦流，將星際云瓦解為上千個(gè)小云，其中之一則是太陽系前身——原始星云。原始星云其質(zhì)量為βM0，β=1－1.3。原始星云的角動(dòng)量約為今日太陽系角動(dòng)量的158—200倍。第四十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五（2）、星云盤的形成原始星云盤繼續(xù)塌縮，半徑逐漸減小，因角動(dòng)量守恒，造成自轉(zhuǎn)速度增大。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力相抗衡時(shí)，便停下來，逐漸形式類似“鐵餅”的星云盤。星云盤形成的同時(shí)，云盤中心的原始太陽亦形成。第四十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五為了對星云盤的的溫度、厚度和密度做出估計(jì)，需要介紹羅奇密度的概念。首先讓我們看圖2.2-1所示大小球吸引的例子。分析兩個(gè)小球在大球作用下聚集的條件。第四十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五大球作用于靠近它的小球1和遠(yuǎn)離它的小球2的引力，分別為因?yàn)镕1＞F2，若沒有其它力的作用，這兩個(gè)小球就要在共同靠近大球的過程中，彼此分開。但是，兩個(gè)小球之間還存在引力，大小為第四十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五這個(gè)力使兩個(gè)小球彼此聚集。顯然，使兩個(gè)小球聚集而不致分開的條件是

f12＞F1－F2

第四十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五將F1、

F2和

f12的表達(dá)式代入上式，經(jīng)整理后變成：

ρ＞ρ0＝4（M／a3）式中ρ0稱為羅奇密度，上式稱為聚集條件。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)出來的。第四十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五作為一般情況，除引力外，還存在小球軌道運(yùn)動(dòng)的離心力、電磁力等其它作用，這時(shí)上式中的系數(shù)不為4，可能還要大些，一般寫成η，故此得出

ρ＞ρ0＝η（M／a3）可以用上式分析氣體星云在太陽引力下的穩(wěn)定性問題。第四十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)氣體星云的密度ρ達(dá)到由太陽質(zhì)量和距離決定的羅奇密度ρ0時(shí)，太陽的引力與氣體星云內(nèi)物質(zhì)自身引力相平衡。當(dāng)超過羅奇密度時(shí)，實(shí)現(xiàn)了星云自身引力的穩(wěn)定性，開始行星的聚集過程。第四十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五現(xiàn)太陽質(zhì)量

M=1.99×1033g，日地距離α=1.49×1013cm。若僅考慮引力（取η=4）可計(jì)算；羅奇密度ρ0=2.3×10-3g/cm3。地球密度ρ=5.5g/cm3

＞＞ρ0，故地球在太陽引力作用下，不會(huì)被分離，但可產(chǎn)生變形（固體潮）。第五十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五星云盤溫度由太陽輻射、云盤消光和云盤熱輻射決定，由能量平衡方程可以推算出，云盤內(nèi)界溫度為1900°K，云盤外界溫度為15°K。第五十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五（3）塵層的形成云盤中塵粒（包括土物質(zhì)和冰物質(zhì)）跟氣體一起繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)也做布朗運(yùn)動(dòng)，彼此發(fā)生碰撞，結(jié)合成顆粒（碰撞吸積），并在引力z方向分量作用下，顆粒克服氣體阻力，向赤道沉降，逐漸形成塵層。第五十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五（4）星子的形成當(dāng)塵層的物質(zhì)密度足夠大時(shí)，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)。物質(zhì)團(tuán)的密度隨時(shí)間而指數(shù)式增長。當(dāng)物質(zhì)團(tuán)的密度超過羅奇密度時(shí)，就可以自吸引塌縮，聚集成固體－星子。瓦解之后的星子質(zhì)量估計(jì)為1018g（內(nèi)區(qū)）到1020g（外區(qū)）。各物質(zhì)團(tuán)自吸引收縮，很快形成星子。估計(jì)地球處由物質(zhì)團(tuán)形成星子的時(shí)間為104a，木星處的時(shí)間為106a。第五十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五(5)

行星（胎）的形成初始星子繞太陽作開普勒運(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，因而頻繁地相遇和碰撞，發(fā)生結(jié)合或者碎裂。實(shí)驗(yàn)表明，相對速度小于0.5km/s的星子碰撞，其結(jié)果總是結(jié)合，而相對速度大于1km/s的星子碰撞，其結(jié)果可能發(fā)生碎裂。前者成為更大星子，后者成為更小星子。第五十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五大星子引力較強(qiáng)，更有效地吸積周圍的物質(zhì)和小星子（引力吸積），迅速成長。小星子引力較弱，吸積殘余塵粒而緩慢生長。較大星子（直徑大于1km）因?yàn)樽陨砦鰪?qiáng)，由碰撞聚積為主過渡到引力吸積為主。物質(zhì)不斷聚集到大星子上，使其生長更快更大，最大星子成為行星胎。第五十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五由星子結(jié)合行星時(shí)間，各人用不同方法估算，就地球而言，竟差3—4量級。據(jù)戴文賽估計(jì)，地球形成時(shí)間為106—107a，木星（固體核）形成時(shí)間為107a，水星為104—106a。這與隕星母體的形成時(shí)間為幾千萬年大致相符。第五十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五二、新星云假說對若干觀測事實(shí)

的解釋一個(gè)假說能否成立，不僅在于這個(gè)假說能自圓其說，而且在于能否解釋已有的觀測事實(shí)，并為以后新的觀測事實(shí)所證明。1、行星軌道運(yùn)動(dòng)的解釋行星要解釋的是軌道運(yùn)動(dòng)的同向性、共面性和近圓性。第五十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五對于同向性，顯然這是因?yàn)樗鼈冇赏蛔赞D(zhuǎn)的原始星云形成的必然結(jié)果。對于共面性和近圓性，也可以從“塵層→星子→行星（胎）”過程的隨機(jī)性質(zhì)加以解釋。對于隨機(jī)過程，有其必然的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。在眾多星子集聚成行星時(shí)。通過碰撞聚積和引力吸積，使軌道偏心率e和軌道傾角i平均化較好，即e和i

的值都較小。第五十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五

2、行星體積、質(zhì)量和密度分布的解

釋

行星可分為三類：類地行星，巨行星和遠(yuǎn)日行星。各行星的質(zhì)量、半徑和密度已在前面作了介紹。顯然，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程的必然結(jié)果，反映了各類行星在形成條件上的差別。第五十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五類地行星區(qū)溫度高，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)太陽引力弱，所需逃逸速度小，因而大部分氣物質(zhì)逃離太陽系。巨行星區(qū)的溫度不如類地行星區(qū)高，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。含土物質(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。第六十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五3、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)律波特定則。它有多種表示式。其中，可由相鄰軌道半長軸αn表示成如下等比級數(shù)形式：

an＋1／an＝1.69±0.26觀測值與計(jì)算值在內(nèi)行星符合得很好，而外行星符合得較差。第六十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五4行星定居順序及數(shù)目的解釋因?yàn)閴m層的密度隨遠(yuǎn)離太陽而減小，星子生長率與密度成正比，故可知靠近太陽的行星先形成。水星胎形成時(shí)，金星區(qū)已有了大星子，它同水星胎爭奪邊界區(qū)物質(zhì)。如果它離水星近，因邊界物質(zhì)少，不會(huì)生長快；它也不會(huì)離地球區(qū)近，因?yàn)檫€與那里的大星子爭奪物質(zhì)。第六十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五形成行星的數(shù)量與星云盤內(nèi)可吸積物質(zhì)的數(shù)量有關(guān)。若星云盤內(nèi)可吸積物質(zhì)為0.00135M0時(shí)，形成九個(gè)行星和小行星；當(dāng)云盤內(nèi)可吸積物質(zhì)增加12倍時(shí)，只形成三個(gè)行星；當(dāng)云盤內(nèi)可吸積物質(zhì)增加340倍時(shí)，則只形成一個(gè)天體，太陽系便成雙星系了。第六十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五

5角動(dòng)量分布的解釋如前所述，太陽系中太陽的質(zhì)量大、角動(dòng)量卻小，行星及其衛(wèi)星的質(zhì)量小、角動(dòng)量卻大，相差非常懸殊。這一角動(dòng)量的特殊分布，很自然使人們想到，原始太陽質(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)在大得多，需要某種機(jī)制轉(zhuǎn)移掉它的角動(dòng)量。這種機(jī)制就是“沙茲曼機(jī)制”。第六十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五太陽系中太陽和行星的角動(dòng)量分布，與太陽的演化和行星的形成過程有關(guān)。計(jì)算表明，太陽在其發(fā)展的金牛T階段之前，角動(dòng)量需要減少幾十倍，才能保證太陽繼續(xù)收縮。在這里“沙茲曼機(jī)制”是有效的，因?yàn)槟菚r(shí)太陽自轉(zhuǎn)快，表層活動(dòng)劇烈，能夠拋出很多帶電粒子，這些帶電粒子沿著與太陽共轉(zhuǎn)的磁力線運(yùn)動(dòng)，由于當(dāng)時(shí)的磁場比現(xiàn)在強(qiáng)得多，所以可以帶走大量角動(dòng)量。第六十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五三、地球的形成和演化（theFormationandEvolutionoftheearth1、地球的形成地球是太陽系中一個(gè)普通成員，一顆“規(guī)則”行星，因此，可以用太陽系起源的戴文賽假說，在解釋一般行星的形成過程中，也解釋地球的形成。概括地說，一個(gè)冷的、自轉(zhuǎn)的原始星云（質(zhì)量＜1.3M0）因自吸引而收縮,，中部形成太陽，外部形成星云盤，凝聚的固體顆粒沉降到云盤中面（赤道面）附近塵層。第六十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五塵層各區(qū)的物理-化學(xué)條件不同。當(dāng)塵層的物質(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)集聚為星子，星子又因吸積而集聚成行星。這就是太陽系形成的一般輪廓，也就是各行星形成過程中的共性。在塵層的地球區(qū)內(nèi)，最大星子成為地球胎。由于塵層內(nèi)各區(qū)的星子有大致相同的組成，所以地球吸積生長的初期是均一吸積的。第六十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五但是，由于大星子及行星胎的攝動(dòng)，星子改變軌道，可移到相鄰的區(qū)域內(nèi)，因此，在地球生長的后期，一定有相當(dāng)數(shù)量的其它區(qū)的星子。尤其是鄰近的金星區(qū)和火星區(qū)的星子，在通過地球區(qū)時(shí)，可以被地球胎吸積，因而在地球生長后期對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)組成等狀況，對地球形成后的早期演化將起決定作用。第六十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五2、地球的早期演化地球演化問題，是地球起源問題的自然延伸。如果說地球起源還離不開整個(gè)整個(gè)太陽系形成的話，那么地球演化基本是地球自身的改造過程。只是在它發(fā)展的某一階段經(jīng)受了小天體的撞擊，從而影響它的演化方向。第六十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五地球形成后，有過各種各樣的變化。其中，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、大氣圈以及生物圈。其中地核-地幔-地殼，組成固體地球。水圈和大氣圈對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。第七十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五

第七十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五（1）地核和地幔的形成從太陽星云分化出來時(shí)的原始地球，是一個(gè)均勻的球體，還是一個(gè)已經(jīng)分層的球體？對此有許多研究，可概括地分為兩大派，均一吸積說和非均一吸積說。非均一吸積說認(rèn)為，在原始星云中鐵和硅已經(jīng)分離。地球的吸積生長過程不是均一的，即先吸積鐵，形成地核，后來吸積硅酸鹽，形成地幔。第七十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五均一吸積說認(rèn)為，地球所吸積的物質(zhì)在組成上是均一的，吸積的物質(zhì)同時(shí)含有硅和鐵，地核和地幔的分異，是在吸積過程或吸積結(jié)束時(shí)開始的。一般認(rèn)為，均一吸積說的可能性大。根據(jù)這種假說，原始地球是一個(gè)接近均質(zhì)混雜在一起，并沒有明顯的分層現(xiàn)象。但是，地球物質(zhì)的均質(zhì)現(xiàn)象是相對的，暫時(shí)的。第七十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五在圈層分化過程中，溫度是不容忽視的的外在條件。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用下自由地升降。后來，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加。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。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)物質(zhì)也就具有越來越高的可塑性。當(dāng)溫度高到一定程度，以致地內(nèi)物質(zhì)具有足夠的可塑性時(shí)，就開始了重力作用下的分化過程。第七十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五圈層分化的結(jié)果，形成以密度高低為順序的明顯層次。在這里，物質(zhì)密度的差異，則是圈層分化的內(nèi)在條件。人們知道，地內(nèi)的較輕物質(zhì)，無非是硅酸物質(zhì)；而較重物質(zhì)，無非是鐵和鎳。硅酸物質(zhì)具有低密度和高熔點(diǎn)性質(zhì)。相反，鐵和鎳具有高密度和低熔點(diǎn)性質(zhì)。第七十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期五因此，當(dāng)?shù)貎?nèi)溫度足夠高的時(shí)候，鐵和鎳就熔化了，而硅酸物質(zhì)仍然保持其固體狀態(tài)。這樣，地球上層的