2.1 地球的起源 在线视频

同学们好

我是云南大学

资源环境与地球科学学院的

陈丽晖老师

从今天开始

我们将给大家一一介绍

地球山水景观及其形成原因

地球是宇宙中的一颗行星

地球的自然环境与生态系统

归根到底取决于地球

在宇宙中的位置

及地球与周围天体的关系

下面我们将回顾

地球是如何形成的和演化的

分析影响地球环境的重要天文因素

探讨因为天文因素的变化

而可能导致的地球的变化

这是距离地球

约1350光年的猎户座大星云

新的恒星正在其中孕育和产生

大约50亿年前

我们的太阳

也是在一团氢分子云中孕育的

除了氢

那团原始星云

还具备了太阳和地球

形成所需的其他元素

形成太阳的星际物质

在引力的作用下不断聚集成盘状

中心压强增大、温度上升

在大约45.7亿年前

形成一颗原恒星

原恒星占据了大部分质量

剩余的物质则成为原行星盘

最初的行星

包括在原行星盘中

逐渐形成的地球雏形

这是设想中的原始太阳

及其原行星盘的艺术想象图

按照已有的观测证据和理论计算

当太阳仍处于原恒星阶段时

原始行星或行星的

“胚胎”可能已经形成了

它们互相碰撞、聚集

逐渐演化着

又过了几千万年

原恒星的中心温度

和压强继续上升

触发了氢元素的核聚变

太阳正式诞生了

在太阳形成的初期

包括在原恒星演化的后期

太阳风非常强烈

会逐渐将原行星盘内的

物质“吹”向外围

周围空间接近真空

阻碍行星继续发育

太阳系也渐渐演化为现在的状态

太阳系的八大行星可大致分为两类

一类被称为类地行星

包括水星、金星、地球和火星

另外一类被称为巨行星

又称为类木行星

包括木星、土星、天王星和海王星

除了八大行星

还有位于火星

和木星之间的主带小行星

以及位于海王星之外的

包括冥王星在内的

矮行星、彗星

小行星和其他星际物质

类地行星主要由岩石和金属构成

巨行星是气态行星

主要成分是氢和氦

巨行星通常拥有数量众多的

天然卫星和行星环

行星绕着太阳公转

同时也在自转

这些转动来源于原始星云的角动量

由于角动量守恒

原始星云微弱的运动差异

随着星际物质的收缩

就会呈现出显著的转动

就像收拢肢体的冰舞者

可以转得飞快一样

初始角动量在太阳系的

形成过程中非常重要

如果没有来自原始星云的角动量

旋转的原行星盘就无法形成

行星当然也就不存在了

地球的自转也不垂直于黄道面

在现阶段

其自转轴与黄道面

有大约66.6度的夹角

或者说地球的赤道面

与黄道面有23.4度的夹角

称为黄赤交角

黄赤交角的存在使地球

在公转的过程中产生了四季的交替

地球的自转则形成了昼夜变化

地球是一颗宜居的行星

地球上的生命随着昼夜

和四季的变化演化出了

各自的生存策略

宜居带是指恒星系统中

适合生命存在的区域

在太阳系中

一般认为宜居带

位于0.75至1.50个天文单位之间

只有地球位于宜居带之内

在宜居带之内

温度适合液态水的存在

也因此造就了

地球丰富多样的生态系统

图为热带雨林

除了合适的公转轨道

地球宜居环境的形成

还与几个重要的天文因素密切相关

其中最重要的是

日地关系和月地关系

太阳是日地关系的主宰

除了核裂变这样源自于

原始星云的能量

地球上几乎一切能源

都直接或间接地来自于太阳的辐射

太阳照射地球时

在每平方米投影面积上的

热功率超过1300瓦

太阳辐射是大气环流

和地表水循环的驱动源

风和河流蕴含的巨大能量

主要源自太阳辐射

煤炭和石油等石化能源所

储存的能量

也是源自过去的太阳辐射

太阳风和日冕物质抛射

是影响地球大气和人类活动的

重要天文因素

有较充分的证据表明

火星和月球就是在太阳风的

持续冲击下渐渐失去了原始大气的

如今月球大气

几乎被太阳风剥离干净

火星的大气也已非常稀薄

地球大气之所以

没有被太阳风剥离的

一个主要原因是

地球拥有类地行星中最强的磁场

该磁场很好地屏蔽了

来自太阳的带电粒子

保护了地球的大气层

火星几乎没有磁场

图中左边显示了太阳风

是如何剥离火星大气的

右边显示了地球磁场

是如何屏蔽太阳风的

按照现行的地球发电机理论

地球磁场是由地球内部

熔融状的等离子体运动所产生的

火星内部已经逐渐冷却

不能形成发电机

自然也就没有明显的整体磁场了

虽然地球磁场能较好地

保护地球大气

但太阳风和来自太阳的

日冕物质抛射

仍然对地球的临近空间

高层大气及高纬度地区

造成了显著的影响

由图可见

在太阳风冲击之下

地磁场的位形

已经发生了较大的变化

有一部分带电的高能粒子

可以从磁场的两极顺着磁力线

注入到地球的高纬度地区

这些粒子与高层大气中的

原子碰撞将会产生极光

图中显示的是南极科考站看到的极光

这是在北极看到的彩色极光

高层大气中的不同原子

被带电粒子激发后

会产生不同颜色的极光

月球是地球的卫星

月地关系也是决定地球环境的

一个重要的天文关系

按照现在比较流行的理论

月球就是45.3亿年前的

一次大碰撞中形成的

撞击地球的是一颗

被称为“忒伊亚”的原始行星

其质量约为地球质量的十分之一

月球对地球最显著的

一个影响是其较强的引潮力

引潮力的本质

是其他天体对地球上

单位质量物质的引力

引潮力造成地球海洋

和大型湖泊的潮起潮落

月球距离地球很近

虽然总质量远远小于太阳

但月球的平均引潮力

却是太阳引潮力的2倍以上

潮汐最终会造成地球自转速度的缓缓减慢

有古生物证据显示

3.7亿年前

一年有400天左右

除了日地和月地关系

其他大行星的正常运行

对地球环境的影响较小

但小行星和彗星的撞击

对地理环境却会造成显著影响

大的撞击

甚至导致生物的集体灭绝事件

图中是墨西哥尤卡坦半岛的

巨大陨石坑重构图

这次大撞击疑似造成

6500万年前的恐龙灭绝事件

在研究地球的形成和演化时

我们常常用到

几十亿年前这样的描述

这个时间可以通过测量样本中

特定元素的同位素衰变来确定的

例如

测定古老岩石的年龄

常常使用“铀（U)”“铅(Pb)”法

U238的半衰期是45亿年

最终会衰变成铅的同位素Pb206

通过精密测量岩石样本中

铀和铅同位素的含量

即可知道岩石的年龄

由于地球内部的活动和表面环境均非常活跃

要在地球上

找到未受“污染”的

古老岩石样本是非常困难的

我们已经知道太阳系的行星

天然卫星及小行星

基本形成于同一时期

因此

可以利用未受“污染”的

陨石或者月岩样本

来较准确地估计地球的年龄

人类在地球上找到了元素周期表上

几乎所有天然元素

这些元素来自于形成太阳系的星云

但归根结底

这些元素是从哪里来的呢

所有原子均是由

质子中子和电子构成的

其中质子和中子属于重子

电子属于轻子

它们诞生于宇宙开始形成的时候

几乎与时空同时出现

按照现行理论

我们的宇宙诞生于138亿年前

始于一种量子涨落状态

时空、物质和能量

经由一次被称为

“大爆炸”的剧烈事件所创生

质子、中子和电子

在大爆炸开始后

百万分之1秒至1秒之间

产生并稳定下来

之后又形成了氢、氦

以及少量锂、铍等较轻的原子核

又过了38万年

随着宇宙的冷却

原子核才与电子组成了

最早的氢原子

氦原子和少量的锂原子等

同时

光子也顺利地从粒子中解耦出来

辐射到宇宙中

并形成现在的微波背景

也就是说

宇宙的创生时期

并未产生碳、氮和氧等元素

大爆炸后4亿年

在主要由氢和氦组成的原始星云中

第一代恒星诞生了

发生于恒星内核的核聚变

首先将氢元素聚变为氦元素

然后再通过恒星晚期的核聚变制造出铁以下的元素

比铁还重的元素

聚变时不能再产生能量

以维持恒星的运行

第一代恒星就以

超新星爆炸的方式

结束自己的核聚变时代

在超新星爆炸的过程中

比铁还重的元素产生

并随即被抛洒到空间中

混入到原始星云里

原始星云中

也就因此具备了其他的元素

第一代恒星体积较大

燃烧很快

寿命很短

在它们之后又有新的恒星

形成和消亡并逐渐形成了

孕育太阳诞生的星云

地球诞生至今已有46亿年

随着太阳的演化

每过十亿年

其亮度就会增加百分之十

宜居带也将渐渐退到地球轨道之外

地球表面将不再适合生存

在大约50亿年后

太阳将烧完氢并开始氦的核聚变

由于质量不够大

太阳并不会触发超新星爆炸

它将向外膨胀

并成为一颗巨大的红巨星

在大约70亿年后

如果地球轨道没有变化

红巨星的外围可能会吞并地球

再经过若干年的演化

太阳的中心部分

会成为一颗白矮星

而其他周围的物质

将成为行星状星云

再次汇入到宇宙的星际介质中

并酝酿下一轮的循环

好

今天就讲到这

再见