地球的宇宙背景

第一章地球的宇宙背景第一节宇宙和天体地球处于广袤无垠的宇宙之中，是太阳大家庭中的一员，而太阳又是银河系中的一颗普通恒星，宇宙则是由许许多多像银河系甚至更庞大的星系团所组成。要正确认识地球，就应首先了解宇宙的基本情况。一、宇宙宇宙是天地万物的总称，是指我们周围的物质世界。＜＜淮南子•齐俗训＞＞中写到：“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇”。可见，宇是空间概念，无边无际;宙是时间概念，无始无终。二、天体在宇宙空间中弥漫着无数形形色色、不停运动和变化着的物质，这些物质称为天体。根据天体各自的特点可归纳为恒星、行星、卫星、流星、彗星和星云等六大类。恒星由炽热气体组成，质量很大，能够自己发光，人们凭肉眼在一天中所能看到的六千多颗星体中，99%以上都是恒星，如太阳即是一颗距地球最近的恒星（1.5亿km）。行星自己不发光，质量也远较恒星为小，并且绕恒星运动。地球便是绕太阳运动的行星之一。卫星质量比行星更小，绕行星运动。并随着行星绕恒星运动。流星的质量就更小，也不发光。它在行星际空间运行，当接近地球受到引力时，可以改变轨道，甚至陨落，当它进入地球大气层后，因与大气摩擦，迅速增温至白热化而发生燃烧。绝大多数流星在到达地面以前就已完全燃烧，只有少数可落到地面而成为陨星。彗星（俗称扫帚星）是一种很小的具有特殊外表和轨道的天体。它由彗核、彗发和彗尾三部分组成。慧核是相对集中的疏松固体物质。彗发是慧核释放的分子和原子，成一团气体围绕着慧核。慧尾是由电离的分子和固体小粒子组成的，这些分子和粒子受太阳光压的作用，形成一条背向太阳的尾巴，即慧尾。星云是一种由气体（成分主要是氢）和尘埃组成的云雾状天体，密度极小（有些地方近乎真空状态），但体积非常庞大（半径可达数十光年）。离地球非常遥远的河外星云，是一些恒星系统，而作为银河系组成部分的银河星云，则是极端稀薄和高度电离的氢、氮混合物。鉴于用普通长度单位，甚至用地球与太阳的平均距离（14960万公里，称为天文单位）都难以表示宇宙空间的距离，人们就把光在一年中的传播距离（94605亿公里），即一光年，作为量度天体距离的单位。三、星系现有仪器已能够观察到离地球100光年的空间，而没有观察到的部分仍然是无限广大的。在可观察到的这部分宇宙中，约有1022颗恒星。其中数十亿到上千亿个恒星相对集中而组成的集合体天体系统称为星系。星系的形状各式各样，根据其外貌形态可分为漩涡星系、椭圆星系、棒漩涡星系和不规则星系等，目前已发现的星系有10亿多个。如地球所在的银河系就是一个由一千多亿颗恒星和许多其它天体共同组成的星系，它整体呈铁饼状，中间凸起，四周扁平，绝大多数恒星都集中在它的中心平面附近。它的直径约为10万光年，是太阳系直径的8000万倍，中心厚约1万光年，其余部分厚约1000光年。银河系以外的星系称为河外星系。星系往往表现为成对或呈群的聚集状态，这种星系相对聚集的天体系统称为星系群。如银河系与包括大、小麦哲伦云在内的近二十个毗邻星系组成与其毗邻星系组成了本星系群，本星系群直径约为300万光年。比星系群更大、由数百个到数千个星系所组成的天体系统称为星系团。如室女座星系团包含了2700个星系，直径达850万光年。由星系团所组成的更大的天体系统称为超星系团，辽阔无边的宇宙天体共同组成的天体系统称为总星系。四、星座由于天空中的星斗密密麻麻，难以辨别，人们辨认恒星，便用想象的线条把天空划分为若干区域，并给予相应名称（如我国古代所命名的“二十八宿'、“北斗七星”等）。这些区域称为星座，目前国际上把整个天空统一划分为88个星座，如大熊座、仙后座、狮子座、天蝎座、天鹰座、人马座、室女座等。第二节太阳和太阳系一、太阳太阳是宇宙天体中的一颗普通的恒星，但对养育着亿万生灵的地球来说却太重要了。太阳的光和热是绝大多数生物赖以生存和活动的源泉，地球上的许多自然现象也都与太阳息息相关，可以说，没有太阳，就没有地球生命，更没有地球的美丽和生机盎然。太阳是银河系上千颗恒星中的一个，位于距银心（河系中心）约2700光年、距银河系边缘约2300光年的地方，并以230km/秒的速度绕银心运动，大约2亿年绕行一周。太阳与地球的平均距离为1.5x108km，光从太阳发出传播到地球需8分16秒；太阳的直径为7x105km，是地球直径的109倍；表面积是地球的12000倍；体积为地球体积的130万倍；质量（约1.989x1027t）是地球的33.3万倍，占太阳系总质量的99.86%；平均密度是地球的1/4；表面重力加速度是地球表面重力加速度的27.9倍。太阳是一个由炽热气体构成的发光球，根据光谱分析结果，可知太阳是由73种元素组成的，其中以氢和氦为主，氢占地球总质量的71%，氦占26.5%，氧、碳、氮、氖等气体占2%，镁、镍、硅、硫、铁、钙等约占0.4%，其余60多种元素不足0.1%。人们能直接观测到的是太阳的大气层，它从内向外分为光球、色球和日冕三层。一般情况下，我们看到的太阳圆轮是太阳的光球层，色球和日冕只有在日全食时用特殊仪器才能观测得到。光球是太阳外部很薄的一层，厚度只有500km，表面温度约为6000K，太阳的光辉基本上都是从这里发出来的，光球表面有一些黑色斑点，称为太阳“黑子”。黑子实际上并不是黑色，而是因为它的温度比光球表面温度约低1500度左右，在明亮光球的衬托下显得阴暗所致，太阳黑子活动是不均匀的，黑子最多的年份称为太阳活动极大年，黑子最少的年份称为太阳活动极小年，太阳活动极大年的周期约为11年；色球是太阳的中间层，呈玫瑰色，厚约2000km，气体极其稀薄，几乎完全透明，所发出的可见光不及光球的千分之一，色球的温度从里向外由四、五千度升至数万度，色球有时会向外猛烈喷出高达数万到数十万公里的红色火焰，这种火焰称为日珥，色球的某些区域有时在短时间内会突然增亮，这种现象称为耀斑或太阳色球爆发，耀斑的周期也是11年，一般随黑子群的增多而增多，；旦冕是包围在色球层之外的一层厚约数百万公里、很稀薄、完全电离的气体层，内部温度高达100万度，日冕受太阳的引力较小，它的高温可使高能带电离子以极高速度（350km/秒以上）向外运动形成离子流而逃离太阳，这种离子流称为太阳风，太阳活动频繁时，太阳风的强度和速度都会变大。太阳黑子是太阳活动的主要标志，耀斑、日珥、太阳风等其它太阳活动几乎都与黑子的多少有关；地球上的气候、水文、植物生长等也都与黑子活动周期密切相关;当黑子群和耀斑增多时，太阳所发出的强烈射电会扰乱地球上空的电离层，从而使地面无线电短波通讯受到干扰甚至短时中断。太阳的中心温度高达1.5X107K（1500万度），中心压力达2.5x10i6Pa，太阳内的物质在这样高的温度和压力下，发生着核聚变反映，即由4个氢原子核聚变为1个氦原子核，这种核聚变产生的能量就是太阳发光、发热的能量来源，太阳向周围连续辐射的能量中有1/22可被地球接受。在核聚变过程中，太阳要损耗一些质量而释放出大量的能量，据测算，太阳每秒中由于核聚变所消耗的质量大约为400万吨，按照这样的消耗速度，在太阳过去的50亿年中，仅消耗了0.03%的质量。预计太阳的寿命可达100亿年，因此，太阳目前正处于稳定而旺盛的中年期。二、太阳系以太阳为中心所构成的天体系统称为太阳系，目前所知，它是由太阳和9个大行星、34卫星、成千上万颗小行星、少数彗星以及流星体和星际物质组成的。其中，距太阳最远的行星是冥王星，它距太阳约为39.5个天文单位，若以冥王星的轨道为太阳系的边界，太阳系的直径为79个天文单位，约合120亿公里。若将彗星轨道计算在内，则太阳系的直径可达6-8万个天文单位，即9-12万亿公里。九大行星九大行星是太阳系的主要成员，按照其与太阳的距离，由近到远依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星；按照它们的大小从大到小依次是木星、土星、天王星、海王星、地球、金星、火星、水星，冥王星的大小尚不清楚，有人测得它的直径为3000-3600km，但尚未得到公认，若这一数据得到公认，则冥王星就是九大行星中最小的一个。按照九大行星的物理化学特征可明显分为两类：水星、金星、地球和火星具有距离太阳近、表面温度高、质量小、体积小、密度大、自传速度慢、卫星少等特点，统称为类地行星；木星、土星、天王星、海王星具有距离太阳远、表面温度低、质量大、体积大、密度小自传速度快、卫星多等特点，统称为类木行星。冥王星的性质尚不清楚，就质量、半径和密度而言，都接近类地行星。也有人将包括木星和土星称为巨行星将包括天王星、海王星、冥王星称为远日行星。类地行星的主要由难熔的金属矿物（包括硅酸盐、钾、钙、铝、钛、镁的氧化物和铁镍合金等）组成，温度高、密度大，易挥发元素及其氧化物含量较少，越接近太阳，难熔金属含量越高，挥发性元素含量越低。卫星很少或没有卫星，其中水星和金星没有卫星；地球有—个卫星月亮；火星有两个卫星火卫1和火卫2。巨行星中各种元素的相对含量和太阳基本相似，含大量易挥发元素（如水冰、氨冰、甲烷冰、氢、氦、氖等），温度低、密度小，大气成分中主要是较轻的元素。卫星数目多，并且有光环。其中木星有21-23颗卫星；土星有16颗卫星。远日行星的密度介于类地行星和巨行星之间，主要成分是冰物质和金属矿物，表层气体以氢和甲烷为主。天王星有15颗卫星；海王星有8颗卫星，冥王星至少有1颗卫星。天王星和海王星都有光环。小行星第一颗小行星一一谷神星发现于19世纪的第一个晚上，即1801年元旦之夜，到目前，已编号2000多颗，99.8%的小行星位于火星和木星的轨道之间，它们的总质量只有2.4X1021g，约为地球质量的万分之四，它们的形状多半是不规则的，直径大的可达760km，小行星均有各自确定的轨道，并都在自转着，偶尔还有相互碰撞的机会，使破碎的块体偏离原来的轨道。彗星彗星绕太阳公转的轨道偏心率很大，所以有时离太阳很近，有时很远，望远镜中看到的只是一个云雾状小斑，中间明亮，边缘模糊。一般认为，彗星是由冰物质组成的，当它接近太阳时，彗核中的冰物质升华而成气体，形成云雾状彗发，彗发中的气体和微尘，被太阳风推斥而在背向太阳的一面形成一条很长的彗尾，当彗星远离太阳时，彗尾逐渐缩短直至消失。目前发现的彗星有1600多颗，著名的哈雷彗星，绕太阳运行一周的时间是76年。流行体和陨星流星体是太阳系中行星际间的尘粒和固体小块，或是小行星与类地行星碰撞后形成的碎块，沿同一轨道绕太阳运行的大群流星称为流星群，闯入地球大气中的流星体与大气摩擦生热发光的现象称为流星现象，未燃尽而降落到地面的流星体就称为陨星或陨石。根据成分可大致将陨石可分为三类：铁陨石：一般含Fe80%以上，含Ni5%以上，密度为7.5-8.0g/cm3。目前世界上的第三大铁陨石落在了我国新疆查河县境内，体积为3.5m3，重达30t。铁陨石占陨石总质量的6%左右。石陨石：也称陨石。1976年3月在我国吉林降落的陨石雨是历史上已知最大规模的一次，属石陨石，它主要由氧化硅、氧化镁、氧化铁组成，含少量^和Ni元素。石陨石占陨石总量的92%，大部分陨石是由一种地球上没有发现的球粒状体组成的，称之为球粒陨石。少数球粒陨石含碳高达2.4%，称其为碳质球粒陨石。球粒陨石的年龄与地球相似，约为45亿年，化学成分与太阳的不挥发元素成分比例相一致，密度一般在2.2-3.8g/cm3之间。石铁陨石：也称陨铁石。其化学成分中铁镍矿物和硅酸盐等矿物各占一半，这类陨石约占陨石总量的2%，密度为5.5-6.03.8g/cm3。此外，在一些陨石中还发现了水、钻石和多种有机物（其中包括几十种氨基酸）等。行星公转轨道的特点同向性：行星围绕太阳的公转方向和太阳的自转方向一致，都是自西向东旋转。近圆性：行星轨道多为扁率不大的椭圆形，椭圆的偏心率一般都在0.1以下，只有水星和冥王星稍大，分别达到0.21和0.25。共面性：地球绕太阳公转的轨道面称为黄道面，各大行星的轨道面与黄道面的夹角都很小，只有水星和冥王星的稍大一些，夹角最大的冥王星也不过17°。行星的自转方向九大行星中除金星和天王星之外，其余7个行星都是正向自转的，也就是说，它们的自转方向和公转方向是一致的，均为逆时针转动。金星的自转方向与公转方向相反；天王星的自转轴几乎与公转轴垂直。在卫星中，已知7颗卫星（包括月亮）的自转周期与其绕行星的转动周期相等，这种自转称为同步自转。第三节太阳系与地球起源假说据戴文赛总结的太阳系起源假说就有40多种。一、星云说•17世纪，牛顿就论述过天体形成问题：假定宇宙空间中存在着均匀分布的粒子，那么，凭借万有引力，就可形成一个一个的大团块，这些巨大团块相互之间距离很大，于是就形成了太阳系和众恒星。遗憾的是他断言上帝直接用他的手做出了这样的安排。

•1755德国古典哲学家康德于年发表了“自然通史和天体理论”，认为太阳系和所有恒星是由一团弥漫的小微粒通过万有引力聚集而成。星云中较大质点吸引较小质点而逐步形成团块，团块在不断吸引其它微粒，同时又和其它团块碰撞，碰撞中有的结合起来，有的碰散开来，最终聚集成更大的团块，弥漫物质的中心集结为巨大的中心天体一一太阳，由于斥力，外面的物质便斜着落向太阳，一部分落在太阳上使太阳自转起来，一部分则绕太阳转动，形成一个扁平的星云，星云和中心天体超同一方向转动，星云内也逐步形成物质集结中心，便形成了行星和卫星。•1796年，法国数学家拉普拉斯发表了“宇宙体系论”，认为太阳原是一团极为稀薄的炽热的气态星云物质，体积很大，并缓慢自转着，由于辐射逐渐冷却收缩，由于角动量守恒使其转速加快，离心力加大而使星云变扁，并在不断收缩加速过程中分离出一个一个的环，然后由这些环中物质凝聚成行星和卫星，行星开始很热，后来冷却收缩成固态物质。一、俘获说1946年，前苏联天文学家施密特在《地球起源科学说》中提出了“俘获说”：原本就有一个旋转的太阳，它在运行中穿过一个暗星云时俘获了一部分星云物质，并使其围绕太阳旋转，云团逐渐集中在轨道平面上形成一个巨大的扁平体，这些冷的物质不断相互碰撞、吸引、聚集，最终汇集形成了行星和卫星，由于太阳的光压作用，轻的气态物质离太阳远，尘埃物质离太阳近，因此有了类地行星和