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地球是如何誕生與衰亡的(網摘)

地球是如何誕生與衰亡的(網摘)

說起地球的來龍去脈就要聯系到行星的演變,地球的存在不是宇宙中的例外,作為無數行星中的一員,地球的經歷也不會獨一無二,而行星只是在星球整個演變過程中一個演變階段而已。

1755年康德在《自然通史和天體論》中提出太陽系是由同一團原始星云演變而來后,到今天,結合豐富的現代觀測資料,運用各種現代科學原理和方法,描寫星球演變的“星云說”有了嶄新的面貌。相繼發現的從彌漫星云—恒星—紅巨星—白矮星之間的一系列過渡星體,也初步印證了“星云說”的星球早期演變概念的部分合理性,但“星云說”認為恒星與行星是在同一旋渦中形成的觀點日益暴露出弊病來,而星球演變的全過程在白矮星之后仍然還是一段空白。因此,至今還沒有一個學說能滿意的說明星球的整體特征而獲得科學界的共識。

像自然界所有事物一樣,星球也有從誕生到衰亡的發展過程。它們之所以有不同的形態,歸根結底是由于各星球正處在演變過程中不同的階段。行星是由恒星演變形成的,而彗星又是由行星演變而來,宇宙中每個星球的演變都要經過——“黑洞”、星云、恒星、紅巨星、白矮星、行星、彗星、小行星幾個階段。就像人的一生要度過少年、青年、中年、老年幾個階段,假如以人類個體的生命過程作比喻,那么,“黑洞”恰似襁褓中的嬰兒,星云則是幼稚的兒童,恒星相當于精力充沛的青少年,紅巨星已是人到中年了,白矮星和行星像年邁的老人,彗星即進入了彌留之際,小行星就是逝后的遺骸。星球既有共同性,又有差異,即使處于同一演變階段也沒有形態完全相同的。如昆蟲在它不同的生長階段各是卵、幼蟲、蛹、蛾幾種完全不同的形態一樣。根據有關天文資料可以對宇宙星球演變的全過程加以推演:

自然界的物質總在不停的分散和集聚,當星系內一個區域的溫度值低于這個相對孤立系統的均衡點時,熱量就會從高溫區向低溫區傳遞,周圍物質就會從密度較大的區域向這一密度較小區域匯集,出現一個吸引力大于離心力的區域,在物質流的慣性作用下形成一個由氣體和塵埃組成的高速旋轉運動的磁場旋渦(即恒星級“黑洞”)。恒星級“黑洞”就是星球演變過程的初始階段,由于它的構成物質是稀薄的氣體、塵埃、游離粒子,所以才出現了我們在可見光范圍觀測不到它的形態而只能在高能射線范圍觀測到的“奇怪”現象。恒星級“黑洞”產生的能量和引力會吸引更多的物質,形成圍繞它旋轉的吸積盤,在引力吸積作用下,“黑洞”的質量和引力會逐漸增大,像滾雪球一樣越滾越大形成巨大的云霧狀星體,星球的胚胎——星云便誕生了。

星云初始本身并不發光,它會被附近恒星發出的光激發成一個發光體而被我們觀測到。恒星的形成是在星云中心完成的,星云中的稠密團塊比周圍物質密度大,因此比周圍物質引力要大,物質濃縮區域物質密度會不斷增加凝聚成堅固的氣團。當星云具備了發生原子核反應的兩個必要條件(一是星體達到相當大體積;二是星體中的物質達到一定密度)時,在云團內部密集的氣體、塵埃互相碰撞的巨大摩擦作用下,溫度升高到幾百萬攝氏度以上,星云的中心區域(星核)的原子核反應就發生了,從而爆發出巨大能量,演變為光輝耀眼的星球——恒星。 

恒星的原子核反應產生的強大磁場和引力,能吸引一些質量相對較小的行星等天體,形成以它為中心的恒星系統。恒星早期是向內吸積物質比向外輻射物質多,能量愈來愈大;到了后期,向外輻射物質比向內吸積物質多,能量愈來愈小。從恒星表面源源不斷流向太空深處的能量加速了它的衰亡,最后進入它的暮年——紅巨星階段。

紅巨星的重元素比例增大,星球內部原子核反應減弱,能量變小,星球表面溫度下降,光線顏色變紅,構成物質在離心力作用下向外層膨脹,體積變的非常巨大。紅巨星在繼續膨脹過程中,內部高溫物質會沖破溫度較低的外層,以“超新星”爆發的形式拋掉外層物質,形成一片受保留下來的星核照射而發亮的“行星狀星云”在空間飄蕩。之后彌漫的“霧團”漸漸散去,星核的外層開始逐漸冷卻形成固態的外殼,就坍縮成一顆近似地球大小的陰暗幽靈——白矮星。

白矮星是紅巨星脫去外殼后裸露出來的內核,仍在進行的原子核反應被包裹在了冷卻的固態外殼之中,它的體積大大縮小但相對質量卻很大,內部物質密度高,磁場和引力仍很強。由于白矮星表面積小,所以它的亮度像篝火的余燼一樣非常暗弱。隨著與其它恒星之間相互吸引力和離心力平衡的改變而淪為恒星的衛星——自身不發光的行星。

從白矮星到行星階段中期是一個星球固態外殼不斷膨脹,表層氣態、液態物質不斷減少的過程。初期的行星,是像木星那樣的形態,有人以為木星是氣態物質構成的星球,實際上在它厚達1000公里的濃密大氣層下,就是那顆正在冷卻的白矮星,它的外層大氣成分與地球40億年前的大氣成分十分相似。地球處在行星中期階段,由于溫度等適宜條件,行星上會出現生命現象,因為行星內部仍在進行的原子核反應產生的巨大能量會逐漸積聚起很大壓力,所以,當外殼承受不住時,內部能量就沖破外殼形成爆發,爆發中大量表層物質散發到宇宙中,熔巖凝結的固態外殼變厚,行星的體積擴大。經過了多次爆發后,就進入像火星那樣的行星后期階段,幾億年前的火星曾是一顆酷似今天地球的行星。

生命在地球上的存在與地球本身的存在一樣絕非偶然,只要具備合適的環境,生命的形成就是任何星球都可以做到的簡單事情。生命與行星同步進化,它直接源于行星必然會提供的條件,與地球同樣的一幕也會在大多數行星表面上演。當行星內部原子核反應基本結束,組成物質的離心力超過它的吸引力時,結構平衡被打破,進入行星的碎裂狀態——彗星階段。

彗星就像行星內部熔爐熄滅后殘留的爐渣,是行星碎塊(彗核)和氣體塵埃(彗發)的結合體,結構非常疏松,稍有風吹草動便四分五裂,所以它們只能處在恒星系統的邊緣區域,一旦接近恒星系統中心區域,在恒星的強大引力作用下,彗星分解變化十分明顯,最終將完全分散成一群遨游于天際的太空巖石——小行星。

像谷神星一類直徑達幾百公里,表面還有微弱熔巖噴發的星體,雖然距離小行星階段只有咫尺之遙,但仍屬行星的范疇。只有那些行星、彗星瓦解后的已經冷卻的天體碎塊,才是真正意義上的小行星。

星球的誕生和死亡此起彼伏,每時每刻既有舊的星球逝去,也有新的星球生成。當星際中分散的物質在快速旋轉運動的磁場旋渦(恒星級“黑洞”)吸引下集聚在一起時,一個星球的新一輪演變又開始了,星球家族就是這樣循環往復,生生不息。

以上只是對星球演變過程作一個大致的順序排列,根據這個星球演變排列順序可以測定各種星球在演變過程中所處的階段。只有簡單的理論才會顯現出真理的完美性,探索星球奧秘應從盡可能少的假設出發,概括盡可能多的經驗事實,實現科學本質上的簡單性,從而結束目前天文學領域里星球研究中的繁雜狀態。

鏈接:地球,太陽系九大行星之一,按離太陽由近及遠的次序為第三顆。它有一個天然衛星——月球,二者組成一個天體系統——地月系統。地球大約有46億年的歷史。
    一、自轉和公轉
    1543年,哥白尼在《天體運行論》一書中首先完整地提出了地球自轉和公轉的概念。此后,大量的觀測和實驗都證明了地球自西向東自轉,同時圍繞太陽公轉。1851年,法國物理學家傅科在巴黎成功地進行了一次著名的實驗(傅科擺試驗),證明地球的自轉。地球自轉周期約為23時56分4秒平太陽時,地球公轉的軌道是橢圓的。公轉軌道的半長徑為149597870公里,軌道的偏心率為0.0167,公轉周期為一恒星年,公轉平均速度為每秒29.79公里,黃道與赤道交角(黃赤交角)為23°27′。地球自轉和公轉運動的結合產生了地球上的晝夜交替、四季變化和五帶(熱帶、南北溫帶和南北寒帶)的區分。地球白轉的速度是不均勻的,有長期變化、季節性變化和不規則變化。同時,由于日、月、行星的引力作用以及大氣、海洋和地球內部物質的各種作用,使地球自轉軸在空間和地球本體內的方向都要產生變化,即歲差和章動、極移和黃赤交角變化。
    二、形狀和大小
    地球是球形這個概念的出現,可上溯到公元前五、六世紀。當時,希臘的畢達哥拉斯學派的哲學家只是從球形最美的觀念出發產生這一概念的。亞里士多德根據月食時月球上地影是一個圓,第一次科學地論證了地球是個球體。中國早在戰國時期,哲學家惠施已提出地球是球形的看法。
    公元前三世紀,古希臘的地理學家埃拉托斯特尼成功地用三角測量法測量了阿斯旺和亞歷山大城之間的子午線長。中國唐朝時期,在一行的指導下,由南宮說率領的測量隊在河南省黃河南北的平原地帶進行了最早的弧度測量,算出了北極的地平高度差一度,相當于南北地面距離相差約351里80步(唐朝的長度單位5尺=1步,300步=1里),從而可算出地球的半徑。這項工作比阿拉伯人的類似工作約早100年。在現代,除用大地測量方法外;還可用重力測量確定地球的均衡形狀。人造地球衛星上天后,地球動力學測地方法得到很大發展。各種方法的聯合使用,使得地球形狀和大小的測定精度大大提高。1976年國際天文學聯合會天文常數系統中,地球赤道半徑α為6378140米,地球扁率因子1/f為298.257。地球不是正球體,而是扁球體,或者說,更象個梨狀的旋轉體。人造地球衛星的觀測結果表明、地球的赤道也是個橢圓,據此可認為地球是個三軸橢球體。地球自轉產主的慣性離心力使得球形的地球由兩極向赤道逐漸膨脹,成為目前的略扁的旋轉橢球體形狀,極半徑比赤道半徑約短21公里。地球內部物質分布的不均勻性,進一步造成地球表面形狀的不規則性。在大地測量學中,所謂的地球形狀是指大地水準面的形狀,在這個面上重力位各處相同,是個等位面。日、月對地球的引力作用使地球上的海洋、大氣產生潮汐現象,也使固體地球(在某種程度上是個彈性體)發生彈性形變,這就是所謂“固體潮”。
    三、質量和重力加速度
    地球的質量為5.976×l027克,這是根據萬有引力定律測定的。地球質量的確定提供了測定其他天體質量的依據。從地球的質量可得出地球的平均密度為5.52克/厘米3。地球上任何質點都受到地球引力和慣性離心力的作用,二者的合力就是重力。重力隨高度遞增而減小,也隨緯度而變化。赤道上的重力加速度為978.伽(厘米/秒2),兩極處為983.2伽。有些地方還會出現重力異?,F象,這反映出地球內部物質分布的不均勻性。重力異常同地質構造和礦床有關。地球因受到日、月引潮力的作用,它的重力加速度也有微小的周期變化,最大的可達十分之幾毫伽。
    四、構造
    地球可以看作由一系列的同心層組成。地球內部,有核、幔、殼結構。地球外部,有水圈、大氣圈,還有磁層,形成了圍繞固態地球的外套。磁層和大氣圈阻擋著來自空間的紫外線、X射線、高能粒子和眾多的流星對地面的直接轟擊。
    地球表面十分之七以上為藍色的海洋所覆蓋,湖泊、江河只占地球表面水域很少的部分。地球表面的液態水層,叫做水圈,從形成至今至少已有30億年。地球的表層由各種巖石和土壤組成,地面崎嶇不平,低洼部分被水淹沒成為海洋、湖泊;高出水面的陸地則有平原、高山。地球固體表面總垂直起伏約為20公里,它是珠穆朗瑪峰頂(據中國登山隊1975年測定,珠穆朗瑪峰海拔高度為8848.13米)和最深的海洋深度(馬里亞納海溝深度約11公里)之間的高差,它超過大陸地殼平均厚度的一半。洋底象陸地一樣不平坦,也不平靜。洋底巖石年齡要比陸地年輕得多。陸地上大多數巖石的年齡小于二十幾億年。陸地上到處可以找到沉積巖,說明在遠古時期這些地方可能是海洋。地表雖有少量的環形山,但難以找到類似月球、火星和水星那樣多的環形山,這是因為地球表面受到外力(水和大氣)和內力(地震和火山)的作用,不斷風化、侵蝕和瓦解的結果。
    長期以來,人們認為地殼構造運動主要表現為地面的隆起和沉降,以垂直運動為主,水平運動是次要的。近十多年來,愈來愈多的科學家認為,地球上部不僅有垂直運動,而且還有更大的水平運動,海洋和大陸的相對位置在地質時期也是變化著的。1912年偉格納提出大陸漂移假說。此后,有的地質學家認為,地球早先存在兩塊古大陸——南半球的岡瓦納古陸和北半球的勞亞古陸。但在很長時期里許多科學家拒絕承認大陸漂移假說,因為當時人們很難相信有這么大的力量把原先的大陸塊撕開,使各碎塊分別逐漸漂移到今天的位置。六十年代初,黑斯和迪茨提出了洋底擴張假說,認為全球大地構造是洋底不斷擴張的直接結果。正是由于洋底擴張假說和板塊運動理論的發展,又使大陸漂移學說重新受到重視。
    地球最上層約幾十公里厚的一圈是強度很大的巖石圈,其下幾百公里厚的一層是軟流層,強度較小,在長期的應力作用下這一層的物質具有可塑性。巖石圈漂浮在軟流圈上。在地球內部能量(原始熱量和發射性熱)釋放時,地內溫度和密度的不均勻分布,引起地幔物質的對流運動。地幔對流物質沿著洋底的洋中脊的裂隙向兩側方向運動,不斷形成新的洋底。此外,老的洋底不斷向外擴張,當它們接近大陸邊緣時,在地幔對流向下拖曳力的作用下,插入大陸地殼下面,致使巖石圈發生一系列的構造運動。這種對流作用可使整個洋底在三億年左右更新一次。巖石圈被一些活動構造帶所割裂,分成幾個不連續的單元,稱為大陸板塊。勒比雄把全球巖石圈分成六大板塊:歐亞板塊、美洲板塊、非洲板塊、太平洋板塊、澳洲板塊和南極板塊。海底的擴張導致大陸板塊發生運動。板塊的相互擠壓造成了巨大的山系,自阿爾卑斯山經過土耳其和高加索,最后到喜馬拉雅山的山系正是屬于這種情況;也有的地方,兩個板塊的巖石同時下沉,造成洋底的深淵,此外,板塊的運動還造成了火山和地震。關于板塊運動的理論,目前還在不斷發展之中,同時也存在許多有爭論的問題。
    五、起源和演化
    對地球起源和演化問題進行系統的科學研究始于十八世紀中葉,至今已經提出多種學說。現在流行的看法是:地球作為一個行星,遠在46億年以前起源于原始太陽星云。它同其他行星一樣,經歷了吸積、碰撞這樣一些共同的物理演化過程。地球胎形成伊始,溫度較低,并無分層結構,只是由于隕石物質的轟擊,放射性衰變致熱和原始地球的重力收縮,才使地球溫度逐漸增加。隨著溫度的升高,地球內部物質也就具有越來越大的可塑性,且有局部熔融現象。這時,在重力作用下物質分異開始,地球外部較重的物質逐漸下沉,地球內部較輕的物質逐漸上升,一些重的元素(如液態鐵)沉到地球中心,形成一個密度較大的地核(地震波的觀測表明,地球外核是液態的)。物質的對流伴隨著大規模的化學分離,最后地球就逐漸形成現今的地殼、地幔和地核等層次。
    在地球演化早期,原始大氣逃逸殆盡。伴隨著物質的重新組合和分化,原先在地球內部的各種氣體上升到地表成為第二代大氣,后來,因綠色植物的光合作用,進一步發展成為現代大氣。另一方面,地球內部溫度升高,使內部結晶水汽化。隨著地表溫度逐漸下降,氣態水經過凝結、降雨落到地面形成水圈。約在三、四十億年前,地球上開始出現單細胞生命,然后逐步進化為各種各樣的生物,直到人類這樣的高級生物,構成了一個生
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