地化作业.doc

2.太阳系的形成演化（分析太阳系的物质来源、能量来源、演化过程）答：太阳系的形成演化始于46亿年前一片巨大分子云中一小块的引力坍缩。大多坍缩的质量集中在中心，形成了太阳，其余部分摊平并形成了一个原行星盘，继而形成了行星、卫星、陨星和其他小型的太阳系天体系统。从形成开始至今，太阳系经历了相当大的变化。有很多卫星由环绕其母星气体与尘埃组成的星盘中形成，其他的卫星据信是俘获而来，或者来自于巨大的碰撞（地球的卫星月球属此情况）。天体间的碰撞至今都持续发生，并为太阳系演化的中心。行星的位置经常迁移，某些行星间已经彼此易位。这种行星迁移现在被认为对太阳系早期演化起负担起绝大部分的作用。就如同太阳和行星的出生一样，它们最终将灭亡。大约50亿年后，太阳会冷却并向外膨胀超过现在的直径很多倍（成为一个红巨星），抛去它的外层成为行星状星云，并留下被称为白矮星的恒星尸骸。在遥远的未来，太阳的环绕行星会逐渐被经过的恒星的引力卷走。它们中的一些会被毁掉，另一些则会被抛向星际间的太空。最终，数万亿年之后，太阳终将会独自一个，不再有其它天体在太阳系轨道上。一、 物质来源及演化太阳也是由星云物质演化来的，它处在距离银河系中心2.7万光年的猎户旋臂上。在46-50亿年之前，星际弥漫物质分布不均匀，物质的密集区成为星际云。在外界因素的触发下，星际云发生自吸引收缩。当密度足够大时，星云际云出现不稳定，瓦解成为多个小星云。其中猎户臂上的一块小星云，质量约为1.03M，该星云中心温度100K，其余大部分的温度均在10K以下，初始角动量2105251052克厘米2秒-1。该星云应该是太阳形成前的星云，太阳一定是在一个产生了大质量恒星的一个大恒星诞生区域里（可能类似于猎户座星云)形成。这些被称为“前太阳星云”的塌陷气体区域中的一部分将形成太阳系。这一区域直径在7000到20,000天文单位（AU），其质量刚好超过太阳。它的组成跟今天的太阳差不多。由太初核合成产生的元素氢、氦、和少量的锂组成了塌陷星云质量的98%。剩下的2%质量由在前代恒星核合成中产生的金属重元素组成。在这些恒星的晚年它们把这些重元素抛射成为星际物质。元素的演化：元素的大量合成是太阳系物质产生的条件，观测研究表明, 在宇宙从热大爆炸开始后5 秒钟, 质子( 氢核) 和中子开始结合而形成氘、氦、锂、铍等少数轻的核素。随着宇宙膨胀, 物质变稀, 不再合成重的核素。到大爆炸后约亿年后, 才开始星系和恒星的形成。显然,宇宙早期形成的第一代恒星仅由轻的元素组成。在恒星内部的高温、高密度和高压力条件下, 依次发生以下的核合成过程。( 1) 氢燃烧( 氢聚变为氦) , 温度 107K, 持续约1010 年。( 2) 氦燃烧( 氦变为碳、氧等) , 温度108K, 续约107年。( 3) 碳燃烧( 温度6 108K) , 氧燃烧( 温度109K) , 持续约105 年, 生成质量数A = 16 28 的核素;若核合成是爆炸性的, 则仅持续几秒钟。( 4) 硅燃烧, 生成质量数A = 28 60 的核素, 温度 3( 或4) 109K, 对于准平衡和e ( 统计平衡) 过程约持续1 秒钟。( 5) s ( 慢中子俘获) 过程, 产生A 60 的核素, 温度 108K, 持续约103 104 年。( 6) r ( 快中子俘获) 过程, 产生A 60 的核素, 温度 1010K, 持续约10 100 s( 不肯定) 。( 7) p( 俘获质子) 过程, 产生丰度小的、重的富质子核素, 温度 2( 或3) 109K 持续10 100 s。二、能量来源及演化介质云在其本身的引力作用下开始收缩的时候，恒星的形成过程就开始了，当它收缩时，引力势能转换为热能，气云发热，当发热时，介质云压强升高并企图阻止坍缩，由于介质云温度高，所以光和电磁辐射就从它的外表面发射出去.此时，介质云不能保持所需要的压强，继续慢慢地坍缩，随着坍缩的进行就会更热，大约经100,000年，在引力、气体压力、磁场力和转动惯量的相互竞争下，收缩的星云扁平化成了一个直径约200AU的原行星盘，并在中心形成一个热致密的原恒星（内部氢聚变尚未开始的恒星）。太阳发展到了这一演化点时，已被认为是一颗金牛T星类型的恒星。对金牛T星的研究表明它们常伴以0.0010.1太阳质量的前行星物质组成的盘。这些盘伸展达几百AU哈勃太空望远镜已经观察过在恒星形成区（如猎户座星云）直径达1000AU的原星盘并且相当冷，最热只能达到一千开尔文。而之后气云中心变得足够的热和密，以致核反应开始发生，氢转变为氦，释放可观的能量(这就是发生在早期宇宙中的基本核聚变过程)，介质云被稳定于这一点，这时，表面辐射掉的能量与核反应所产生的能量相平衡，所以介质云不必进一步坍缩去得到热能，而达到一种力的平衡，这就形成了一个恒星. 这意味着太阳成为了主序星，这是它生命中的一个主要阶段。主序星从它们核心的氢聚变为氦的过程中产生能量。太阳至今还是一颗主序星。而要达到这种力的平衡在物理上必须要满足三个条件：一是引力坍缩。二是动量守恒，角动量守恒会造成星云开始产生自转之后形成原恒星。三是热核反应。三、太阳系的形成与演化形成：（一）前太阳星云已在前面物质来源和能量演化中论述，这里不做详细说明。（二）行星的形成在太阳的周围这时候先后生成了四个行星，它们是：1、水内星（Inmercury）：因为现在这颗星已经不存在。其名暂定为水内星（不是Vulcan）。它的质量大约是160个地球单位（现在的地球质量1个地球单位）。密度为1.34克/厘米3左右。它运行在距离太阳2900万千米的轨道上。2、水星：这颗水星并不像现在的水星。它的质量约110个地球单位，密度亦为1.34克/厘米3。这颗水星运行在离太阳7000万千米的轨道上。3、金星：它当时的质量是70个地球单位，密度1.34/厘米3，轨道距离太阳1.1亿千米。4、地球：当时的质量为50个地球单位，密度为1.33克/厘米3，轨道为1.5亿千米。它们的运行轨道基本是圆型。由于形成行星的旋臂外缘物质的角动量略大于内缘物质的角动量，内、外两个角动量的差变成行星自转角动量。所以以上形成的行星都具有绕太阳公转方向相同的自转。由于太阳星云在收缩时旋转略带一点扭矩，所以形成太阳后，太阳的自转赤道与黄道（星盘）面有7度多的夹角，所形成行星的自转轴，也不垂直于黄道面。当时，火星轨道处以外的物质量还不足以形成大行星，而只是在火星轨道处运行着几个较大的星子。其中最大的星子直径已超过3000千米。在火星与地球轨道之间有一个星云的小旋臂，该旋臂角动量比地球的单位角动量略大一些，其形成的星体，被地球俘获为月球，它的质量为0.7个地球单位。运行轨道与地球距离比现在要近得多。由于与地球角动量差转变为对地球的转动。而太阳星云内部不存在魏茨泽克学说所形容的内部旋涡。所以太阳系星云形成的规则卫星都是同步自转（同步自转：自转周期与行星公转周期时间相等）。这个演化阶段的后期，各星体表面温度已超过200K，这个演化阶段的时间在104年之内。火星小行星形成阶段：在这个演化阶段开始，太阳表面温度已达到3000K左右。太阳内部已开始有小规模的核聚变。形成的各大行星由于收缩，自转开始加快，氢、氦元素已全部气化。太阳的热辐射驱动着散落在各大行星轨道间的剩余物质和逃逸出行星控制的氢、氦等物质，并将它们推向火星轨道和小行星轨道。由于星际物质到这个演化阶段后期，在水星、小行星轨道上逐渐增多。而后火星逐渐由星子聚集形成。其质量约30个地球单位，密度约为1.2克/厘米3，轨道参数基本与现在相同。在小行星轨道上也逐步形成了70120个大星子，星子直径约在2000千米至3000千米。另外还有许多直径小于2000千米以下的星子。当时的大星子经现代技术分析可以逆向命名，如：脱罗夫（Trojan）星、沃耳夫（M.Wclf）星等。这个阶段约经历103年不到的时间。木星土星形成阶段（太阳核聚变爆发阶段）：这个阶段是太阳系形成过程中非常重要的一个阶段。现代的太阳系起源理论都认为，强大的太阳辐射和太阳风将星云轻物质推到外行星处。至于怎样推的和演化到什么时间将轻物质推出去的，所有太阳系起源说都未对其定位。在这个阶段里太阳由于收缩，内部的高温终于引发了整个太阳的氢核聚变活动。强大的核聚变辐射带着太阳风扫过了前面几个阶段所形成的所有的星体和星子。这个阶段大约用了105106年的时间。由于太阳风的压力和太阳辐射的压力，将弥漫在内太阳系的氢、氦和水汽驱赶到现在的木星及土星轨道附近，木星、土星轨道上的星子逐渐增大，因为大部分物质在木星轨道处就被星子俘获了，而土星星子俘获的是重新凝结（温度低）的氢、氦气和水汽团，所以聚集在土星轨道上星子的密度变得越来越小。在行星形成的过程中，由于高密度物质向行星中心集结，低密度的物质浮向行星表面，由于角动量守恒，行星的转速急剧加快，太阳辐射使行星失去的表面物质将带走大量的行星自转角动量，致使行星逐渐失去自转角动量而使自转变得缓慢。特别是水内星，由于上述过程急剧演化，当该行星在失去三分之二质量后，其自转角动量已所剩无几。在这种情况下，该星对太阳来讲就像一个向心旋转的火箭，它拖着长长地急速喷射着水汽的尾巴，沿着距离太阳越来越近的轨道，渐渐地又突然快速地跌进了太阳。水星几乎也有着同样的命运，不过当它向太阳移近运行轨道1200万千米时，它的易挥发轻物质已经消耗殆尽，这时它就停留在现在的轨道上，绕着太阳转动着。水星1200万千米的轨道迁移，影响了水星的轨道参数，所以水星绕太阳转动的轨道有较大的偏心率。金星离太阳远得多，以上论述的物理过程中，几乎将金星自转角动量全部带走。但是，由于金星的轻物质挥发较慢，金星轨道的迁移量不多。这个物理过程，对地球和火星影响更要好得多。地球作为行星开始演化时，最快的自转速度，可能达到了几个小时，可是当地球被太阳挥发到2个地球质量时，其自转速度已减慢到要十五、六个小时左右转一圈了。到了这个演化阶段的后期，木星、土星已初步聚合而成。在这个演化阶段后期和下一个演化阶段的初期太阳将进入一个灾变时期。天王星海王星形成阶段：在这演化阶段的开始前，太阳进入了一个灾变性阶段，该灾变可以称为太阳角动量灾变；当弥漫星云塌陷为一个恒星胚时，星云物质带有大量的转动角动量聚集到星体，聚集的初期角动量分布分散。恒星胚转动较慢，当恒星核聚变产生之后，大部分物质都被气化或电离时，较重物质急速向恒星中心聚集，轻物质浮向恒星表面，因角动量守恒，恒星转速越来越快。对于较大的星云团，形成恒星前的旋转速度较快，其聚集后星体含角动量极大，核聚变产生后，星核还没完全形成。为了克服巨大的角动量转速，恒星会分裂为双星，或者是聚星。银河系中就有许多这样的恒星结构。太阳赤道与黄道有7度多的夹角。太阳的金牛T型段的赤道抛射物有很大一部分被抛射出原太阳星云盘黄道面。这些抛射物，经由黄道盘的上、下飞越水星、金星.木星、土星。这些抛射物质在旋转盘上群星引力的作用下，落在天王星的轨道上，被那里的星子俘获，然后积聚为天王星。这些抛射物的运动轨迹可用万有引力定律推出。也许太阳向云盘上、下抛射的物质量并不相等，也许抛射的物质在云盘上、下运行的距离有差异。所以它们形成的星子都会有水平于黄道平面的自转。当变得更大的星子聚集起来形成天王星时，该星是一颗基本躺着转动的星，星内有大量的放射性物质，也说明该星大部分物质直接来自已经核聚变的太阳。有一些抛射物质因为没有被天王星子俘获，在星云盘处穿越天王星轨道，由于惯性，又运行一段距离，在星盘的引力的作用下，从另一面落入海王星轨道，被海王星轨道的星子俘获。因为它们的运动轨迹非常难以形容。所以这些星子最后形成的海王星，自转轴相对黄道面倾斜很大角度。海王星的物质大部分也来自太阳，它也含有大量的放射性物质。天王星、海王星演化阶段历时106年。（三）后期重轰炸和其后外围行星的迁移带来的引力干扰会把大量小行星送到内太阳系，严重地耗竭原地带，直到它降到今天的特别低的质量水平。该事件可能触发了大约40亿年前、太阳系形成5到6亿年后的后期重轰炸。这一时期的重轰炸持续了几亿年，太阳系内的地质残体如水星和月球上明显存在的陨坑就是证明。地球生命最早的证据可以早到38亿年前，几乎是紧接着后期重创的结束。（四）卫星卫星存在于多数行星和其他太阳系天体周围。这些天然卫星有三个可能的来源机制： 从绕行星的星盘（只在大型气体行星的情况下）同时生成； 从撞击的残骸形成（如果有浅角度下足够大的撞击），和 捕获经过的天体。演化：长远来说，太阳系最大的改变将来自于太阳自身因衰老而带来的改变。随着太阳烧掉它的氢供给，它会变得更热且更快地烧掉余下的燃料。其结果就是，太阳每11亿年就会更亮10%。在10亿年的时间，随着太阳的辐射输出增强，它的适居带就会外移，地球的表面会热到液态的水无法在地球表面继续存在。此时地面上所有的生命都将绝迹。从海平面而来的水蒸气，一种强温室气体，可以加速温度升高，可以潜在地更早地结束地球上的所有生命。这时候可能火星的表面温度逐渐升高，现在冻结在表面土壤下的水和二氧化碳会被释放到大气里，产生温室效应暖化这颗行星直到它达到今天地球一样的条件，提供一个未来的生命的居住场所。35亿年后，地球的表面环境就会变得跟今天的金星类似。约54亿年之后，太阳核心的所有的氢都会聚变成氦。核心将不再支撑得住引力塌陷，将会开始收缩，加热核周围的一个外壳直到里面的氢开始聚变。这将使其外层急剧扩张，这颗恒星将进入它生命中的红巨星阶段。在76亿年内，太阳会膨胀到半径为1.2AU256倍于它现在的大小。在其红巨星分支的顶峰，因为巨量增大的表面积，太阳的表面会比现在冷却很多（大约2600K）， 它的光度会增高很多，会达到现在太阳光度的2700倍。在太阳成为红巨星的阶段，它会产生很强的星风，这将带走它自身33%的质量。 当太阳膨胀后，水星和金星差不多一定会被吞噬掉。地球的命运还不是很清楚。尽管太阳会吞噬地球的现在的轨道，这颗恒星的质量损失（既而更弱的引力）会导致行星的轨道向外移动。如果仅仅如此，地球可能会逃离火海，但2008年的研究认为地球还是会因为与太阳附着不紧密的外层潮汐作用而被吞噬掉。在这个时候，柯伊伯带的冥王星和凯伦，有可能达到可维持生命的表面温度。 渐渐地，太阳核心周围壳里燃烧的氢将增大核的质量直到达到现今太阳质量的45%。此时密度和温度如此高以至于氦开始聚变成碳，导致氦闪；太阳的半径将从约250倍缩至11倍于现在（主序星）的半径。因此，它的光度会从3000倍跌至54倍于今天的水平，而其的表面温度则会升至约4770K。太阳将成为一颗水平分支星，平稳地燃烧它内核的氦，大概就像它今天烧氢一样。氦聚变阶段将只持续1亿年。最终，它还是得求诸它外层的氢和氦贮备，并且第二次膨胀，变成渐近巨星分支星。太阳的光度会再次升高，达到今天光度的2090倍，并且它会冷却到大约3500K。这一阶段将持续3千万年，之后，再过1