第二章 宇宙、地球的起源与演化

课外作业：观看在线科普电影()宇宙与人(1小时)联系方式：蔡爱群8219055，[e-mail]第二章宇宙、地球的起源与演化遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？——屈原：《天问》教学要求：1.本章介绍宇宙起源的大爆炸学说、恒星演化及地球起源等相关知识。2.学生应该知道银河系与宇宙起源、恒星的起源与演化、地球的起源与年龄、生命的起源等问题，并重点掌握生命发展中的几个重要阶段及其特征，理解地质年代的划分方案及地质年代表。主要内容：§1.银河系和宇宙起源学说1.1银河系结构及太阳的运动1.2大爆炸学说与宇宙起源问题1.3星系运动和总星系§2.恒星演化及太阳系的形成2.1星系的起源2.2恒星的起源与演化2.3太阳系的形成2.4似地行星和地外文明探索2.5二十一世纪近地宇宙开发§3.地球的起源与演化3.1地球的起源和圈层分异3.2地球的年龄3.3地球上的生命起源3.4生物圈的形成和发展3.5人类圈的形成和发展3.6生物进化与地质年代表§1.银河系和宇宙起源学说1.1银河系结构及太阳的运动1.1.1银河系结构银河系——是指太阳所在的整个星系，是比太阳系更高层次的庞大天体系统，是由构成银河系的气体、尘埃、恒星、星团以及星云所组成的密集区。银河年周期：太阳绕银核旋转速度250km/s，完成一周约250-300Ma（百万年），称为银河年。穿越旋臂：每次约75Ma。穿越银道面：太阳在银道面上下往复波动，每次约35Ma。1.1.2太阳在银河系内的运动1.2大爆炸学说与宇宙起源问题关于宇宙的起源有许多假说，其中最有影响的是1948年由美国天体物理学家伽莫夫提出的大爆炸宇宙学说。大爆炸宇宙学说认为，宇宙早期是一个超高密、超高温的“宇宙蛋”。宇宙蛋在某种物理条件下，发生迅猛的大爆炸，于是便开始不断膨胀起来，结果物质也随着时空膨胀而从密到稀、从热到冷地演化着，在演化过程中逐渐形成各种恒星体系。超微宇宙的瞬间暴胀宇宙诞生10-44秒之后便急速展开,10-34厘米的超微宇宙在仅仅10-34秒之内迅速膨胀了10100倍,称为暴胀(inflation）。所谓10-34秒/厘米，就是“1秒/厘米的一兆分之一的一兆分之一的一百亿分之一”极其短暂的时间、极其微小的空间。而10100倍，就是1的后面加100个0（厘米）。实际上提出了一个“从无到有”的宇宙起源模式，对于传统的“无始无终”宇宙观是一个冲击！宇宙起源的大爆炸过程包括：基本粒子阶段元素形成阶段宇宙形成阶段支持大爆炸学说的证据（主要观测事实）：1.观测到河外天体有系统性的星光谱线红移现象。红移速度与距离关系2.观测到各种天体上氦丰度大（30%），微波背景辐射的温度仅3K。符合大爆炸学说要求宇宙曾有从热到冷的演化史：早期100亿度（只有基本粒子）→10亿度（开始出现氢、氦轻元素）→100万度（更多元素合成）→几千度（气体凝聚成星云）→绝对温度几度（现在）。3.天体观测年龄与理论年龄相吻合。天体观测年龄测定均200亿年，符合大爆炸理论要求“所有恒星都产生于温度下降之后”前提。虽然，大爆炸宇宙学能解释一些观测事实，但仍存在不少问题，如宇宙蛋中无限密度以及爆炸机制等问题。1.3星系运动和总星系恒星→恒星系（河外星系）→星系团→超星系团→总星系。星系直径10万光年，星系间距离几十至上百光年。宇宙膨胀主要发生在星系团与星系团之间,星系本身的尺度变化不大,类似吹胀气球时在球面看到的情况。§2.恒星演化及太阳系的形成2.1恒星的起源现代天文学的多数假设支持，恒星最初由弥漫稀薄的气体和尘埃（星云）经过凝聚、加热过程而形成。2.2恒星的演化(1)幼年期:原始星云收缩→原恒星形成。(2)青少年期：原恒星出现“氢闪”（核心部分氢开始点燃）。（3）青壮年期:核心部分氢燃烧引起热核反应启动,恒星形成。星系内90%恒星集中分布于主星序或主序带，被称为主序星。（4）晚年期:恒星核心部分氢燃烧殆尽，核部收缩，温度升高；外壳体积膨胀，形成红巨星。（5）衰亡期:恒星内核猛烈塌缩，释放惊人的能量→超新星爆发→致密星白矮星→黑矮星→中子星黑洞黑洞——巨大质量高度集中在很小的体积内，密度极大，引力大到任何物质无法逃脱，辐射也被禁锢出不来的天体。黑洞不发光，但可根据其强大的引力场，推测它的存在。目前认为可能是黑洞的天体是天鹅座X-1。恒星颜色与表面温度主星序红巨星吞没地球中子星黑洞与红巨星元素合成理论（B2FH理论）：由E.M.Burbidge夫妇，W.A.Fowler和F.Hoyle于1957年提出。宇宙中各种元素并非在一次大爆炸时全部产生，而是在恒星演化的热核聚变过程中逐步合成的。即元素起源与恒星演化同步。红巨星中心温度达到108K,3个氦聚变为1个碳核；6×108K,2个碳核聚变为1个氧核；109K,氧核聚变为硅核；3×109K-4×109K,硅核聚变为铁核。由于铁核及其外围8个电子结构十分稳固，更重的元素无法在恒星的正常核聚变过程中形成。“昙花一现”的超新星爆发成为重元素诞生的唯一途径。重金属元素的诞生2.3太阳系形成假说2.3.1星云说的提出与发展第一个在科学上产生巨大影响的星云说是“康德-拉普拉斯星云说”。该学说分别由德国哲学家康德（I.Kant）（1755年）及法国数学家拉普拉斯（Laplace）（1796年）独立提出，他们都能从科学的角度来说明太阳系的一些主要特征，并且都认为太阳系是由一团星云物质通过万有引力等自然规律作用而逐渐形成的。虽然康德学说比拉普拉斯学说早41年提出，但当时康德的观点是以匿名形式发表的，而且仅仅只印了几十本，其中哲理多于科学，因而鲜为人知。直到拉普拉斯用数学和力学定律再一次提出该学说时才使它风靡一时，并取得了空前的成功。迄今国内外提出的各种学说多达50多种。从学术思想体系和立论依据方面基本上可归纳为三种类型。①灾变说——行星物质是某种重大突发事件从太阳中分离出来，例如另一颗恒星走近或擦过太阳，或由于太阳自身爆发，分出的太阳物质后来形成行星。②俘获说——太阳从恒星际空间俘获物质，形成原行星云，再演变为行星。③共同形成说——太阳系的所有天体都由同一个原始星云形成，星云中心部分形成太阳，外围部分形成行星等天体。2.3.2新星云说的提出20世纪40年代以后出现的星云说被称之为“现代星云说”，它有以下几个最显著的共同特点：（1）吸取了康德-拉普拉斯学说中的精髓和合理部分——太阳系由同一团星云在自然规律作用下逐渐形成。（2）充分运用了现代科学的理论及空间探测新资料，包括恒星早期演化理论及灾变说中一些合理部分。（3）逐渐进入定量计算及模拟实验的阶段。几十种现代星云说中影响较大及比较成熟的有以下几个人提出的学说：1945年德国的魏扎克(Weizcker)、1955年英国的霍伊尔（F.Hoyle）、1962~1976年瑞典的阿尔文（H.Alfven）等。我国已故的著名天文学家戴文赛于1977~1978年提出了一个能比较全面、系统、有内在联系地论述太阳系主要特征的由来及太阳系各类天体起源的新星云说。新星云说从天体观测新资料出发，论述周密细致，对太阳系的起源、主要特征以及运动规律的规则性和不规则性作了比较全面、系统的阐述，在理论上作出了重要贡献。1944年，以斯米特（Shmidt）为首的学派提出了吸积假说，其思想在50年代得到尤里（Urey）等的进一步发展。至60年代，前苏联天体力学家Safronov系统地提出了太阳系行星起源的星子假说，该学说自70年代以来得到了快速的发展，至今已发展成了一个被当今科学界广泛接受的星子碰撞吸积理论。2.4似地行星和地外文明探索地外文明地外文明探索探索地外文明的意义2.5二十一世纪近地宇宙开发2.5.1开发月球：开发3He资源和矿产资源。（绪论已提到）2.5.2开发火星火星开发重新修正火星开发计划盖茨欲开发火星3.地球的起源与演化3.1地球的起源和圈层分异3.1.1地球的起源地球起源问题是同太阳系的起源紧密相联系的，因此探讨地球的起源问题，首先了解目前太阳系的三个主要特征是必要的。概括起来说，它们是：1．太阳系中的八大行星，都按反时针方向绕太阳公转。太阳本身也以同一方向自转，这个特征称为太阳系天体运动的同向性。2．行星绕太阳公转的轨道面，非常接近于同一平面，并且这个平面与太阳自转赤道面的夹角也不到6°，这个特征称为行星轨道运动的共面性。3．除水星外，其它所有行星的绕日公转轨道都很接近于圆轨道。这个特征称为行星轨道运动的近圆性。关于地球的起源问题，已有相当长的探讨历史了。在古代，人们就曾探讨了包括地球在内的天地万物的形成问题，在此期间，逐渐形成了关于天地万物起源的“创世说”（古埃及人的创世说、基督教的七天创世说或基督教的“上帝创世说”）、众生创世说等）。其中流传最广的要算是《圣经》中的创世说。在人类历史上，创世说曾在相当长的一段时期内占据了统治地位。自1543年波兰天文学家哥白尼提出了日心说以后，天体演化的讨论突破了宗教神学的桎梏，开始了对地球和太阳系起源问题的真正科学探讨。1644年，笛卡儿（R.Descartes）在他的《哲学原理》一书中提出了第一个太阳系起源的学说，他认为太阳、行星和卫星是在宇宙物质涡流式的运动中形成的大小不同的旋涡里形成的。一个世纪之后，布封（G.L.L.deBuffon）于1745年在《一般和特殊的自然史》中提出第二个学说，认为：一个巨量的物体，假定是彗星，曾与太阳碰撞，使太阳的物质分裂为碎块而飞散到太空中，形成了地球和行星。事实上由于彗星的质量一般都很小，不可能从太阳上撞出足以形成地球和行星的大量物质的。在布封之后的200年间，人们又提出了许多学说，这些学说基本倾向于笛卡尔的“一元论”，即太阳和行星由同一原始气体云凝缩而成；也有二元论观点，即认为行星物质是从太阳中分离出来的。1755年，著名德国古典哲学创始人康德（I.Kant）提出星云假说。1796年，法国著名数学和天文学家拉普拉斯（P.S.Laplace）在他的《宇宙体系论》一书中，独立地提出了另一种太阳系起源的星云假说。由于拉普拉斯和康德的学说在基本论点上是一致的，所以后人称两者的学说为康德－拉普拉斯学说。整个十九世纪，这种学说在天文学中一直占有统治的地位。本世纪初，由于康德－拉普拉斯学说不能对太阳系的越来越多的观测事实作出令人满意的解释，致使二元论学说再度流行起来。1900年，美国地质学家张伯伦（T.C.Chamberlain）提出了一种太阳系起源的学说，称为星子学说；同年，摩耳顿（F.R.Moulton）发展了这个学说，他认为曾经有一颗恒星运动到离太阳很近的距离，使太阳的正面和背面产生了巨大的潮汐，从而抛出大量物质，逐渐凝聚成了许多固体团块或质点，称为星子，进一步聚合成为行星和卫星。现代的研究表明，由于宇宙中恒星之间相距甚远，相互碰撞的可能性极小，因此，摩耳顿的学说不能使人信服。由于所有灾变说的共同特点，就是把太阳系的起源问题归因于某种极其偶然的事件，因此缺少充分的科学依据。著名的中国天文学家戴文赛先生于1978年提出了一种新的太阳系起源学说（新星云说），他认为整个太阳系是由同一原始星云形成的。这个星云的主要成份是气体及少量固体尘埃。原始星云一开始就有自转，并同时因自引力而收缩，形成星云盘，中间部分演化为太阳，边缘部分形成星云并进一步吸积演化为行星。关于太阳系的起源的学说已有50多种。本世纪初期迅速流行起来的灾变说，是对康德－拉普拉斯星云说的挑战；本世纪中期兴起的新的星云说，是在康德－拉普拉斯学说基础上建立起来的更加完善的解释太阳系起源的学说。人们对地球和太阳系起源的认识也是在这种曲折的发展过程中得以深化的。至此，可以对形成原始地球的物质和方式给出如下可能的结论：形成原始地球的物质主要是上述星云盘的原始物质，其组成主要是氢和氦，它们约占总质量的98％。此外，还有固体尘埃和太阳早期收缩演化阶段抛出的物质。在地球的形成过程中，由于物质的分化作用，不断有轻物质随氢和氦等挥发性物质分离出来，并被太阳光压和太阳抛出的物质带到太阳