1、地球物理学全册配套最完整地球物理学全册配套最完整 精品课件精品课件1 地球物理学概论地球物理学概论 第一讲第一讲 绪论绪论 l地球物理学的研究地球物理学的研究对对 象象，研究，研究内容内容，方法方法 特点特点，与其他分支学，与其他分支学 科的科的关系关系及其在经济及其在经济 与社会发展中的重要与社会发展中的重要 作用作用等方面等方面 一、地球物理学是以地球为研究一、地球物理学是以地球为研究 对象的一门现代应用物理学。对象的一门现代应用物理学。 l地球物理科学的研究对象就是地球物理科学的研究对象就是地球地球。 l地球物理科学是研究地球的地球物理科学是研究地球的物理性质物理性质、地球自身、地球自身
2、 产生的产生的物理现象物理现象。 认识地球认识地球( (揭示地球本身的结构、探索地球的演化揭示地球本身的结构、探索地球的演化 过程、总结过程、总结地球形成演化过程中的基本规律地球形成演化过程中的基本规律) )。 资源探查、环境保护、灾害防治资源探查、环境保护、灾害防治( (国民经济建设国民经济建设) )。 1、空间地球物理学与固体地球物理学、空间地球物理学与固体地球物理学 l将地球作为一个天体来研究，这便确定了固将地球作为一个天体来研究，这便确定了固 体地球物理学和天体物理学之间的关系。体地球物理学和天体物理学之间的关系。 地球物理学：地球物理学： 固体地球物理学固体地球物理学 空间地球物理学
3、空间地球物理学 l地球上有大气圈、水圈、地球上有大气圈、水圈、岩石圈岩石圈、生物圈、生物圈 l其大气圈、水圈和生物圈都有相应的研究学科，其大气圈、水圈和生物圈都有相应的研究学科， 如空间地球物理学、大气物理学，水文学，物如空间地球物理学、大气物理学，水文学，物 理海洋理海洋 l在地球科学领域里，地球物理学通常就指在地球科学领域里，地球物理学通常就指固体固体 地球物理学地球物理学。 2、固体地球物理学的研究内涵、固体地球物理学的研究内涵 l大体上可以分为以下七个方面：大体上可以分为以下七个方面： (1)弹性波场弹性波场：地震波：地震波 (天然和人工源，包含天然和人工源，包含 核爆炸核爆炸) 在地
4、球内部的传播。在地球内部的传播。 (2)重力场：重力场：地球内部物质产生的引力场。地球内部物质产生的引力场。 l (3)磁力场：磁力场：地球内部磁性物质产生的引力场。地球内部磁性物质产生的引力场。 l (4)电磁场电磁场：主指地球的直流电场和电磁感应：主指地球的直流电场和电磁感应 场。场。 (5)地热场地热场：主指地球的温度场和大地热流。：主指地球的温度场和大地热流。 l (6)物理化学场物理化学场：即放射性场；：即放射性场； (7)地球运动学和动力学地球运动学和动力学：即通过综合地球物：即通过综合地球物 理场分析来研究地球系统和其深部的介质结构理场分析来研究地球系统和其深部的介质结构 与物质
5、组成、状态及物质的运动，特别是深部与物质组成、状态及物质的运动，特别是深部 圈层耦合、圈层耦合、地球内部物质与能量的交换地球内部物质与能量的交换及其深及其深 层动力过程。层动力过程。 二、固体地球物理学功能二、固体地球物理学功能 l固体地球物理学是地球科学重固体地球物理学是地球科学重 要分支，其功能是：要分支，其功能是：认识地球、认识地球、 资源勘察、地质灾害防资源勘察、地质灾害防治治、保、保 护生态环境。护生态环境。 l其中认识地球，特别是认识地其中认识地球，特别是认识地 球内部物质运移、物质组成、球内部物质运移、物质组成、 结构、结构、 深层过程与动力学机制，深层过程与动力学机制， 是地球
6、物理学，也是地球科学是地球物理学，也是地球科学 的最根本的任务。的最根本的任务。 1、认识地球的重要性认识地球的重要性 l地球在给人类带来地球在给人类带来“福音福音”和生存空间的同时，也给和生存空间的同时，也给 人类带来了无穷的灾难。人类带来了无穷的灾难。 地球的演化过程、地质活动不可避免的会对地球上的动植物地球的演化过程、地质活动不可避免的会对地球上的动植物 的生命活动过程，对人类活动发生影响。的生命活动过程，对人类活动发生影响。 自然资源的开发、利用在使人类的物质文明发展的同时，也自然资源的开发、利用在使人类的物质文明发展的同时，也 使地球的生态环境发生变化，使地球上的某些演化过程加速，使
7、地球的生态环境发生变化，使地球上的某些演化过程加速， 可能造成某些地质变化和灾害。如由于使用化石燃料产生的可能造成某些地质变化和灾害。如由于使用化石燃料产生的 COCO2 2持续升高而使全球大气层变暖的过程加速，继之而来的土持续升高而使全球大气层变暖的过程加速，继之而来的土 地荒漠化问题、淡水资源的匮乏及污染问题。地荒漠化问题、淡水资源的匮乏及污染问题。 l地球上有些局部的短时间的地质活动也会造成极为严地球上有些局部的短时间的地质活动也会造成极为严 重的生态环境变化，甚至使局部区域内全部生命死亡，重的生态环境变化，甚至使局部区域内全部生命死亡， 人类活动停止。人类历史上的大地震，尤其是人类活动
8、停止。人类历史上的大地震，尤其是20世纪世纪 发生的若干次大地震，以及伴随地震发生的海啸等自发生的若干次大地震，以及伴随地震发生的海啸等自 然灾害和火灾等灾害，都是自然界的变化在短时间内然灾害和火灾等灾害，都是自然界的变化在短时间内 引起生态环境的恶性变化的事例。引起生态环境的恶性变化的事例。 l我国云南禄劝的一次山体滑动毁灭了几个村镇；我国云南禄劝的一次山体滑动毁灭了几个村镇； l台风扫过，使智利沿海村镇荡然无存；台风扫过，使智利沿海村镇荡然无存； l 1976年的唐山强烈地震年的唐山强烈地震(78级级)，不过几秒钟就使，不过几秒钟就使99 的房屋倒塌，的房屋倒塌，24万余人丧生，万余人丧生
9、，16万余人受伤，整个万余人受伤，整个 城市被毁，造成了不可估量的经济损失；城市被毁，造成了不可估量的经济损失； 04年年底印度洋大地震发生后，结果引年年底印度洋大地震发生后，结果引 发了发了04年年12月月26日发生的东南亚大海啸。日发生的东南亚大海啸。 l英国专家利用高清晰度的多束英国专家利用高清晰度的多束 激光声呐对海底进行了扫描，激光声呐对海底进行了扫描， 这些图片显示，受地震影响，这些图片显示，受地震影响， 印度洋海底中高达印度洋海底中高达1500米的山米的山 脊已出现了巨大的倒塌，并形脊已出现了巨大的倒塌，并形 成数公里宽的山崩地段。科学成数公里宽的山崩地段。科学 家初步评估，地震
10、发生时，印家初步评估，地震发生时，印 度和缅甸两块板块构造突然运度和缅甸两块板块构造突然运 动相碰时，印度板块构造被向动相碰时，印度板块构造被向 下挤压，造成海床隆起一道山下挤压，造成海床隆起一道山 脊，海水因此向上涌出，结果脊，海水因此向上涌出，结果 引发了引发了12月月26日发生的东南亚日发生的东南亚 大海啸。图片显示，受地震影大海啸。图片显示，受地震影 响，印度洋海底山脊已倒塌，响，印度洋海底山脊已倒塌， 并形成数公里宽的山崩地段。并形成数公里宽的山崩地段。 l海啸往往是由于大洋底部深层发生强烈地震引起的。地海啸往往是由于大洋底部深层发生强烈地震引起的。地 震震波可传到很远的地方引发海啸
11、。震震波可传到很远的地方引发海啸。 12月月26日发生的东南亚大海啸遇难人数：日发生的东南亚大海啸遇难人数： l印度尼西亚：印度尼西亚：238,945 l斯里兰卡：斯里兰卡：30,957 l印度：印度：16,389 l泰国：泰国：5,393 l马尔代夫：马尔代夫：82 l马来西亚：马来西亚：68 l缅甸：缅甸：61 l孟加拉：孟加拉：2 l索马里：索马里：298 l坦桑尼亚坦桑尼亚: 10 l肯尼亚：肯尼亚：1 l总计：总计：292,206 l(注：该统计数字包括印尼注：该统计数字包括印尼127774名失踪人员及印度名失踪人员及印度5640名失踪人员；为避免重名失踪人员；为避免重 复计算，该数
12、字没有包括泰国的复计算，该数字没有包括泰国的3071名失踪人员，斯里兰卡的名失踪人员，斯里兰卡的5637名失踪人员也没名失踪人员也没 有计算在内。有计算在内。) 这是这是19601960年年4 4月智利瓦尔迪维亚遭受强烈地震的资料照片。这次地震就在太平洋另一侧月智利瓦尔迪维亚遭受强烈地震的资料照片。这次地震就在太平洋另一侧 的日本引发海啸，造成数百人死亡。的日本引发海啸，造成数百人死亡。 l又例如，发生在公元又例如，发生在公元79年年8月月24日的维苏威火山爆发，日的维苏威火山爆发， 使在距离那不勒斯西南使在距离那不勒斯西南23km处的庞贝处的庞贝(Pompeii)古古 城在极短时间内毁灭，全
13、城生命瞬息死灭：先是火城在极短时间内毁灭，全城生命瞬息死灭：先是火 山喷发出的熔岩碎块、浮石和其他火山岩屑将庞贝山喷发出的熔岩碎块、浮石和其他火山岩屑将庞贝 城埋了城埋了3m多深，全城房舍均遭灭顶，随后火山灰尘多深，全城房舍均遭灭顶，随后火山灰尘 落如雨，积灰又厚达落如雨，积灰又厚达3m，全城居民和动物多数是被，全城居民和动物多数是被 火山灰闷死的。这是有历史记录并被考古发掘证实火山灰闷死的。这是有历史记录并被考古发掘证实 的地质活动引起生态环境急剧变化的事例。的地质活动引起生态环境急剧变化的事例。 从大的地质时空演变尺度来说：从大的地质时空演变尺度来说： l地球表面的海陆变迁，气候变异地球表
14、面的海陆变迁，气候变异(冰期冰期)等地质等地质 演化过程演化过程(时间变化过程以数百万年计，空间范时间变化过程以数百万年计，空间范 围则是地球的全部或大部围则是地球的全部或大部)会使某些生物灭绝，会使某些生物灭绝， 而另一些生物繁衍。这种地质活动对地球上生而另一些生物繁衍。这种地质活动对地球上生 物的生命活动的影响是全球性的、长时间的。物的生命活动的影响是全球性的、长时间的。 但是对这类地质演化过程对生态环境的影响侧但是对这类地质演化过程对生态环境的影响侧 重在有人类活动以前重在有人类活动以前(如恐龙的灭绝如恐龙的灭绝)，或虽有，或虽有 人类活动，但还不属于历史范畴人类活动，但还不属于历史范畴
15、(如楼兰古国的如楼兰古国的 消失消失)。 地球的核辐射场与年龄地球的核辐射场与年龄 第一节第一节 地球的起源地球的起源 l地球在太空中不停地旋转，神秘莫测。有许多问题要人类去探索。地球在太空中不停地旋转，神秘莫测。有许多问题要人类去探索。 l其中之一就是地球有多大了？回答这个问题涉及到地球的起源以及其中之一就是地球有多大了？回答这个问题涉及到地球的起源以及 演化。演化。 l地球的起源、形成和演化在地球科学，乃致整个自然科学领域里都地球的起源、形成和演化在地球科学，乃致整个自然科学领域里都 是一个基本的理论问题。是一个基本的理论问题。 l地球起源离不开整个太阳系形成。进一步太阳系的形成离不开对整
16、地球起源离不开整个太阳系形成。进一步太阳系的形成离不开对整 个宇宙的认识。个宇宙的认识。 l太阳系是由太阳、九大行星太阳系是由太阳、九大行星(其中很多都具有庞大的卫星系统其中很多都具有庞大的卫星系统)、小行星及、小行星及 陨星之类的无数较小天体、一个大的慧星族、以及在太阳系主要成员之间陨星之类的无数较小天体、一个大的慧星族、以及在太阳系主要成员之间 分布的宇宙尘和气体组成的。分布的宇宙尘和气体组成的。 一、混沌初开一、混沌初开宇宙始于大爆炸宇宙始于大爆炸 l 世界是怎样开始的，我们的地球以及整个太阳系世界是怎样开始的，我们的地球以及整个太阳系 是从哪里来的是从哪里来的? ?这是哲学家解释世界所
17、不可回避的问题。这是哲学家解释世界所不可回避的问题。 l “混沌初开，乾坤始奠。轻清者上浮为天，重浊者混沌初开，乾坤始奠。轻清者上浮为天，重浊者 下凝为地。下凝为地。”中国古代的圣贤作出了这样的回答。他们中国古代的圣贤作出了这样的回答。他们 设想，混沌无形的元气是天地的本源。我们赞成宇宙是设想，混沌无形的元气是天地的本源。我们赞成宇宙是 无边无际，无始无终的哲学观点，但作为自然科学研究无边无际，无始无终的哲学观点，但作为自然科学研究 的具体对象，宇宙是一个有限的客观存在。这样一个宇的具体对象，宇宙是一个有限的客观存在。这样一个宇 宙，应该有它的开端。宇宙是怎样开端的呢宙，应该有它的开端。宇宙是
18、怎样开端的呢? ? 宇宙正在膨胀宇宙正在膨胀 l 渺渺茫茫，从何说起。最初只能有臆想出来的神话。作为科学中渺渺茫茫，从何说起。最初只能有臆想出来的神话。作为科学中 的假说，总得有一定的事实为基础，并能得到科学理论的支持。的假说，总得有一定的事实为基础，并能得到科学理论的支持。20 世纪初，天文学家斯里弗尔世纪初，天文学家斯里弗尔(VMSlipher，18751969)在观测在观测 银河系外的仙女座大星云时，取得了银河系外的仙女座大星云时，取得了15个星系的光谱资料，经过研个星系的光谱资料，经过研 究，发现其中究，发现其中13个正在以数十万米每秒的高速退行，即离开我们愈个正在以数十万米每秒的高速
19、退行，即离开我们愈 来愈远。来愈远。1929年，哈勃年，哈勃(EPHubble，1889-1953)根据前人和根据前人和 他自己观测到的河外星系正在退行的资料，提出：一个星系退行的他自己观测到的河外星系正在退行的资料，提出：一个星系退行的 速度和它与我们速度和它与我们(地球地球)的距离成正比，即离得愈远退行愈快。这个的距离成正比，即离得愈远退行愈快。这个 发现告诉我们，我们周围的星系正在四散离开，也可以说我们已知发现告诉我们，我们周围的星系正在四散离开，也可以说我们已知 的宇宙正在膨胀。的宇宙正在膨胀。 l哈勃所在的工作单位，设在美国加利福尼亚州威尔逊山哈勃所在的工作单位，设在美国加利福尼亚州
20、威尔逊山 上的天文台，拥有当时世界上最大的天文望远镜，这使上的天文台，拥有当时世界上最大的天文望远镜，这使 他有可能观测到他有可能观测到100万光年那样远的地方，在银河系外万光年那样远的地方，在银河系外 原来分辨不出星体的云块中，看出了星系的存在，并取原来分辨不出星体的云块中，看出了星系的存在，并取 得了资料。在哈勃还未发表他的研究结果之前，就有人得了资料。在哈勃还未发表他的研究结果之前，就有人 根据爱因斯坦根据爱因斯坦(A.Einstien，18791955)在在1916年提出年提出 的广义相对论，演绎出宇宙在膨胀的理论。哈勃的发现的广义相对论，演绎出宇宙在膨胀的理论。哈勃的发现 被认为是对
21、这些理论的验证。以后的天文观测继续有新被认为是对这些理论的验证。以后的天文观测继续有新 的发现，证明宇宙在膨胀。曾测到有的银河外星系之间，的发现，证明宇宙在膨胀。曾测到有的银河外星系之间， 正以正以2 500 000千米每小时的速度在拉开距离。千米每小时的速度在拉开距离。 宇宙为什么会膨胀呢宇宙为什么会膨胀呢?会不会是爆炸的产物呢会不会是爆炸的产物呢? l比利时天文学家勒梅特比利时天文学家勒梅特 (G.E. Lematre，1894-1966) 在在1927年就想到了。他设想组成现在这个宇宙的全部物年就想到了。他设想组成现在这个宇宙的全部物 质，质， 当初都集中在一个当初都集中在一个“原始原子
22、原始原子”(或称宇宙蛋或称宇宙蛋)里，里， 异常紧密，温度约为异常紧密，温度约为1032K(绝对温度绝对温度1亿亿亿亿度亿亿亿亿度)。显。显 然这只能维持极其短暂的平衡，一旦平衡破坏，就发生然这只能维持极其短暂的平衡，一旦平衡破坏，就发生 大爆炸，原始原子迅速膨胀，逐渐扩展成为我们的宇宙。大爆炸，原始原子迅速膨胀，逐渐扩展成为我们的宇宙。 这本名为这本名为BIG BANG)的书，在中国译为的书，在中国译为“大爆炸大爆炸”的的 宇宙起源假说，可谓神来之笔。后来勒梅特自己也不敢宇宙起源假说，可谓神来之笔。后来勒梅特自己也不敢 相信，不久就放弃了。相信，不久就放弃了。 l但是哈勃的发现确实使入受到鼓
23、舞，不断有人去继续研但是哈勃的发现确实使入受到鼓舞，不断有人去继续研 究。现在我们知道，宇宙形成的过程大致是：大爆炸后究。现在我们知道，宇宙形成的过程大致是：大爆炸后 1 1秒钟，温度降到秒钟，温度降到101018 18K K，粒子间的强相互作用、弱相互 ，粒子间的强相互作用、弱相互 作用、电磁力和引力开始分开。在高温下处于基本粒子作用、电磁力和引力开始分开。在高温下处于基本粒子 状态的物质，随着温度的降低，聚合成各类原子，约在状态的物质，随着温度的降低，聚合成各类原子，约在 大爆炸后大爆炸后50 -10050 -100万年，首先由电子和质子合成氢原万年，首先由电子和质子合成氢原 子，接着是氦
24、原子也大量生成了，随后其他所有元素的子，接着是氦原子也大量生成了，随后其他所有元素的 原子从轻到重依次聚合而成；大爆炸后原子从轻到重依次聚合而成；大爆炸后100100万年到万年到2020亿亿 年才逐步形成各类天体星系。太阳系的出现，已是大爆年才逐步形成各类天体星系。太阳系的出现，已是大爆 炸发生约炸发生约100100亿年之后的事了。亿年之后的事了。 怎么证明？怎么证明？ l 大爆炸的发生，距离现在约大爆炸的发生，距离现在约150亿年了。怎么亿年了。怎么 能证明能证明150亿年前发生过这样的爆炸呢亿年前发生过这样的爆炸呢?按照大按照大 爆炸宇宙模型的理论，爆炸形成的宇宙一直在爆炸宇宙模型的理论，
25、爆炸形成的宇宙一直在 降温，恒星是在降到降温，恒星是在降到40000K以下时才开始形成以下时才开始形成 的，现在测得最老的星系的年龄都只有的，现在测得最老的星系的年龄都只有100多亿多亿 年，符合这个理论的推断。年，符合这个理论的推断。 l特别是盖莫夫特别是盖莫夫(GGamow，1904-1968)作出的预言：作出的预言： 在大爆炸的特殊宇宙背景下产生出来的微波辐射，至今在大爆炸的特殊宇宙背景下产生出来的微波辐射，至今 还存在于宇宙空间中，其温度应已降低到只有绝对温度还存在于宇宙空间中，其温度应已降低到只有绝对温度 几度。几度。1964年，威尔逊山上一台高灵敏度的射电天文望年，威尔逊山上一台高
26、灵敏度的射电天文望 远镜，在各个方向都测得一种远镜，在各个方向都测得一种3K的微波背景辐射。大爆的微波背景辐射。大爆 炸理论得到了有力的支持。炸理论得到了有力的支持。 l发现者彭兹亚斯发现者彭兹亚斯(AAPenzias，1933)和威尔逊和威尔逊 (RWWilson，1936-)为此得到了为此得到了1978年的诺贝尔物年的诺贝尔物 理学奖。理学奖。 l还有一个证据是，现在测得的不同天体上氦的还有一个证据是，现在测得的不同天体上氦的 丰度，即它在天体中的含量，一般都达到丰度，即它在天体中的含量，一般都达到20 左右，仅靠太阳上那种氢合成氦的作用，在左右，仅靠太阳上那种氢合成氦的作用，在150 亿
27、年左右的时间里是不能造出这么多氦的，而亿年左右的时间里是不能造出这么多氦的，而 大爆炸能做到。大爆炸能做到。 l因爆炸而使星系间的距离拉开，更已是熟知的因爆炸而使星系间的距离拉开，更已是熟知的 事实。天文观测中已多次记录到超新星爆炸，事实。天文观测中已多次记录到超新星爆炸， 另外新近得到的两个黑洞撞击爆炸的信息，都另外新近得到的两个黑洞撞击爆炸的信息，都 可以作为佐证。可以作为佐证。 l 宇宙起源于大爆炸的场面是令人惊叹和着迷宇宙起源于大爆炸的场面是令人惊叹和着迷 的，这种假说已为越来越多的人所接受。的，这种假说已为越来越多的人所接受。 l 然而，也许有关这个大胆设想的证据永远都然而，也许有关
28、这个大胆设想的证据永远都 难以充分，不过它给我们带来的问题，确实值难以充分，不过它给我们带来的问题，确实值 得好好地研究。得好好地研究。 二、太阳系的起源二、太阳系的起源 l太阳系起源理论太阳系起源理论 l 太阳系起源理论可分太阳系起源理论可分 成两种主要类型：一种成两种主要类型：一种 认为起源是逐渐演化的认为起源是逐渐演化的 结果；另一种则把起源结果；另一种则把起源 归因于某种激变的作用，归因于某种激变的作用， 通常假定在遥远的过去通常假定在遥远的过去 太阳与恒星相遇。太阳与恒星相遇。 l1星云说星云说 l2碰撞说碰撞说 l3电磁说电磁说 l4尘埃云说尘埃云说 l 5积成说积成说 l。 星云
29、说星云说 l1755年，哲学家康德的年，哲学家康德的“宇宙发展史概论宇宙发展史概论”中中 假定：构成太阳系的星际的物质，在太初时都假定：构成太阳系的星际的物质，在太初时都 分散为基本粒子，充满整个的宇宙空间。在万分散为基本粒子，充满整个的宇宙空间。在万 有引力的作用下，这些原始的弥漫物质逐渐分有引力的作用下，这些原始的弥漫物质逐渐分 别凝聚，形成太阳系内各天体。别凝聚，形成太阳系内各天体。 原始太阳星云为自大星际云瓦解出的一块小云。它的温度不高，原始太阳星云为自大星际云瓦解出的一块小云。它的温度不高， 有一定的初始角动量和自转，在自吸引作用下收缩，中心部分有一定的初始角动量和自转，在自吸引作用
30、下收缩，中心部分 形成太阳，外部扁化为星云盘。星云盘中含有气体、尘埃和冰形成太阳，外部扁化为星云盘。星云盘中含有气体、尘埃和冰 的固体颗粒，主要由这些固态物质集聚成行星和卫星。的固体颗粒，主要由这些固态物质集聚成行星和卫星。 康德康德-拉普拉斯星云说拉普拉斯星云说 l拉普拉斯从数学和力学的角度阐述，他设想太拉普拉斯从数学和力学的角度阐述，他设想太 阳系本是一团旋转着的炽热的气体，由于冷却阳系本是一团旋转着的炽热的气体，由于冷却 收缩，越转越快，离心力也随着加大，特别是收缩，越转越快，离心力也随着加大，特别是 在云团的赤道一带最大因而形状变得扁平如在云团的赤道一带最大因而形状变得扁平如 圆盘；当
31、旋转速度快到一定程度，这个圆盘外圆盘；当旋转速度快到一定程度，这个圆盘外 缘的惯性离心力大于引力时，就会有一部分物缘的惯性离心力大于引力时，就会有一部分物 质被分离出来，成为继续围绕中心运转的圆环，质被分离出来，成为继续围绕中心运转的圆环， 如今天在土星所见。如今天在土星所见。 康德康德-拉普拉斯星云说拉普拉斯星云说 l这些圆环一次又一次地被分离出来，并分别凝这些圆环一次又一次地被分离出来，并分别凝 聚结成行星；行星周围的卫星也有着类似的形聚结成行星；行星周围的卫星也有着类似的形 成成 过程；星云中心部分则收缩成为太阳。过程；星云中心部分则收缩成为太阳。 l拉普拉斯用力学的原理，解释当时已认知
32、的六拉普拉斯用力学的原理，解释当时已认知的六 大行星的轨道为什么都近于圆形并在同一近似大行星的轨道为什么都近于圆形并在同一近似 的平面上，和它们的自转公转的方向为什么一的平面上，和它们的自转公转的方向为什么一 致等问题，都比较合理、清晰，很有吸引入的致等问题，都比较合理、清晰，很有吸引入的 魅力。魅力。 l在在19世纪，康德世纪，康德-拉普拉斯星云说风靡一时。拉普拉斯星云说风靡一时。 角动量的矛盾角动量的矛盾 l 但是，在太阳系中仍有许多问题，星云说不但是，在太阳系中仍有许多问题，星云说不 能解决。特别是能解决。特别是1884年傅切年傅切(AFouche)提出，提出， 按照物理定律和康德，拉普
33、拉斯星云说，太阳按照物理定律和康德，拉普拉斯星云说，太阳 和行星的单位质量的角动量，应该是一样的，和行星的单位质量的角动量，应该是一样的， 但实际上相差近但实际上相差近100倍。康德倍。康德拉普拉斯星云说拉普拉斯星云说 未能解决这个矛盾，从而失去了一度占主导地未能解决这个矛盾，从而失去了一度占主导地 位的优势，出现了众说纷纭的局面。位的优势，出现了众说纷纭的局面。 l康德和拉普拉斯都是仅在力学上去解康德和拉普拉斯都是仅在力学上去解 释，而在太阳系中不仅有引力的作用：释，而在太阳系中不仅有引力的作用： 还存在其他多种物理作用。在康德、还存在其他多种物理作用。在康德、 拉普拉斯那个年代，人们不知道
34、太阳拉普拉斯那个年代，人们不知道太阳 的热来自氢合成氦的热按聚变。的热来自氢合成氦的热按聚变。 电磁场的作用电磁场的作用 角动量问题角动量问题 (角动量是转动的一种量度，它大致等角动量是转动的一种量度，它大致等 于质量、速度和轨道半径的乘积于质量、速度和轨道半径的乘积)。在太阳系里，。在太阳系里， 太阳的质量约为行星总质量的太阳的质量约为行星总质量的750倍，占全系统倍，占全系统 的的99以上，但它的角动量却只有全系统的以上，但它的角动量却只有全系统的2。 行星的质量虽小，但角动量却很大。以单位质量行星的质量虽小，但角动量却很大。以单位质量 所具有的角动量而言，这种分布是极不平均的。所具有的角
35、动量而言，这种分布是极不平均的。 通过一种什么作用，才能导致这样一个转动系统通过一种什么作用，才能导致这样一个转动系统? 如果行星和太阳是同源，就必须找出一个使角动如果行星和太阳是同源，就必须找出一个使角动 量重新分布的物理过程。最能使角动量转移的物量重新分布的物理过程。最能使角动量转移的物 理过程，即为磁场对于带电粒子的作用。理过程，即为磁场对于带电粒子的作用。 该假说的要点是：假定太阳系开始是一团凝缩收缩的低温星云，转动速度因急该假说的要点是：假定太阳系开始是一团凝缩收缩的低温星云，转动速度因急 剧收缩而加快。当这团星云的半径收缩到一定程度时，由于流体力学的作用，剧收缩而加快。当这团星云的
36、半径收缩到一定程度时，由于流体力学的作用， 使转动达到失稳状态，两极渐扁，赤道凸起，并发展成一个尖锐的边缘。星云使转动达到失稳状态，两极渐扁，赤道凸起，并发展成一个尖锐的边缘。星云 物质从此边缘向外抛出，形成一个圆盘物质从此边缘向外抛出，形成一个圆盘(圆盘质量只有太阳的圆盘质量只有太阳的1)。 l中心体与圆盘脱离后，前者继续收缩，形成太阳，后者质量不再增中心体与圆盘脱离后，前者继续收缩，形成太阳，后者质量不再增 加，聚成行星。当它们脱离时由于星际空间存在磁场，太阳与圆盘加，聚成行星。当它们脱离时由于星际空间存在磁场，太阳与圆盘 的内缘产生一种电磁流体力学的作用而导致一种磁致力矩。通过这的内缘产
37、生一种电磁流体力学的作用而导致一种磁致力矩。通过这 个力矩，太阳对圆盘作功，从而将太阳的角动量转移到圆盘上。圆个力矩，太阳对圆盘作功，从而将太阳的角动量转移到圆盘上。圆 盘因角动量增加而向外扩张，但太阳因为继续收缩和角动量减小，盘因角动量增加而向外扩张，但太阳因为继续收缩和角动量减小， 可使它的角速度变化不大，故解释了太阳转得慢的问题。为了保证可使它的角速度变化不大，故解释了太阳转得慢的问题。为了保证 上述过程的进行，太阳与圆盘分离时的磁场强度只需上述过程的进行，太阳与圆盘分离时的磁场强度只需03T，但要，但要 求圆盘内缘有千万分之一的原子处于电离状态。当圆盘冷却时，不求圆盘内缘有千万分之一的
38、原子处于电离状态。当圆盘冷却时，不 易挥发的物质先凝聚成固体。这些固体在气体带动下，在圆盘扩展易挥发的物质先凝聚成固体。这些固体在气体带动下，在圆盘扩展 过程中，直径小的固体却被气体推向前去，而直径大的固体被抛在过程中，直径小的固体却被气体推向前去，而直径大的固体被抛在 后面，从而各自形成内行星和外行星。后面，从而各自形成内行星和外行星。 l目前尚不能给出一个统一的起源学说，但在行星轨道的目前尚不能给出一个统一的起源学说，但在行星轨道的 稳定性、地球的年龄、地质的演化、地球的化学组成、稳定性、地球的年龄、地质的演化、地球的化学组成、 陨石坑与撞击、角动量的分布与形成的物理进程等方面陨石坑与撞击
39、、角动量的分布与形成的物理进程等方面 确有共识。确有共识。 l地球与其他行星地球与其他行星(或许不包括冥王星或许不包括冥王星)具有众多的共同特具有众多的共同特 点和特征，说明它们具有共同的起源。在讨论太阳系的点和特征，说明它们具有共同的起源。在讨论太阳系的 起源时，可以把必须加以考虑的突出的共同的特征进行起源时，可以把必须加以考虑的突出的共同的特征进行 分析。分析。 三、三、 地球的诞生地球的诞生 l“天，积气也；无处无气。地，积块天，积气也；无处无气。地，积块(土土)也；充也；充 塞四虚，无处无块。塞四虚，无处无块。”(列子列子天瑞天瑞)。这是两。这是两 千多年前的中国学者列御寇告诉我们的：
40、千多年前的中国学者列御寇告诉我们的：天是天是 气的集合，地是土的集合。气的集合，地是土的集合。不能不惊叹中国古不能不惊叹中国古 代贤哲的卓识，人们能看到的蓝天或其他颜色代贤哲的卓识，人们能看到的蓝天或其他颜色 的天，都是大气散射或折射阳光的结果，这个的天，都是大气散射或折射阳光的结果，这个 天确实是气的集合；而我们脚下的大地，也确天确实是气的集合；而我们脚下的大地，也确 实是实是“土土”的集合。的集合。 星际物质星际物质 l20世纪世纪30年代末，天文观测证实，在银河系中，有许多年代末，天文观测证实，在银河系中，有许多 气体和尘埃存在。这些气体主要是氢和氦。尘埃里主要气体和尘埃存在。这些气体主
41、要是氢和氦。尘埃里主要 是水、甲烷和氨等液体气体冻结而成的固体微粒；还有是水、甲烷和氨等液体气体冻结而成的固体微粒；还有 少量二氧化硅及其与金属离子结合形成的化合物等固体少量二氧化硅及其与金属离子结合形成的化合物等固体 材料。气体在这些材料。气体在这些星际物质中，按质量计要占到星际物质中，按质量计要占到98左左 右，固体物质不及右，固体物质不及2，其颗粒细微，半径只有，其颗粒细微，半径只有00001 厘米左右厘米左右。微粒的数量并不少，它们弥漫在整个太空中，。微粒的数量并不少，它们弥漫在整个太空中， 在太阳系中也不例外。太阳系中的星际物质，一般都认在太阳系中也不例外。太阳系中的星际物质，一般都
42、认 为是形成太阳系原始星云的残余。它们的为是形成太阳系原始星云的残余。它们的化学成分化学成分和整和整 个太阳系的化学成分相当，即个太阳系的化学成分相当，即氢最多，氦其次，然后依氢最多，氦其次，然后依 次是氧、碳、氮、氖、硅、铁、硫等元素次是氧、碳、氮、氖、硅、铁、硫等元素。 地球与其他行星具有的特点和特征地球与其他行星具有的特点和特征 l1四大共同特点四大共同特点 (1)所有行星都围绕着太阳旋转且其运行轨道都接近圆所有行星都围绕着太阳旋转且其运行轨道都接近圆 形形 。这便与沿高度偏心的椭圆形轨道运转有所不同。这便与沿高度偏心的椭圆形轨道运转有所不同(普普 雷斯等，雷斯等，1986)。太阳系内行
43、星的轨道，实际上都位于。太阳系内行星的轨道，实际上都位于 大约与太阳的赤道面成大约与太阳的赤道面成60倾斜的同一平面上。所有的行倾斜的同一平面上。所有的行 星都以同一方向围绕太阳运转，而且在同一方向上围绕星都以同一方向围绕太阳运转，而且在同一方向上围绕 其各自的轴旋转，太阳的赤道面接近于轨道面。天王星其各自的轴旋转，太阳的赤道面接近于轨道面。天王星 则例外，它的赤道面大约呈则例外，它的赤道面大约呈980倾斜，而金星的旋转是倾斜，而金星的旋转是 反向。反向。 l(2)行星到太阳的距离形成一个级数，其中，行行星到太阳的距离形成一个级数，其中，行 星之间的间距随着它们到太阳的距离的增大，星之间的间距
44、随着它们到太阳的距离的增大， 而非常近似于几何级数的速度增大。这种关系而非常近似于几何级数的速度增大。这种关系 是博德是博德(Bode，1772)发现的，它预示在火星与发现的，它预示在火星与 木星之间还存在着另一个行星。木星之间还存在着另一个行星。30年以后，果年以后，果 然发现了这个带，不过这个带所包含的已不是然发现了这个带，不过这个带所包含的已不是 一个行星，而是称为小行星的一群碎片，它们一个行星，而是称为小行星的一群碎片，它们 很可能是一个或几个行星碎裂后的残渣，这表很可能是一个或几个行星碎裂后的残渣，这表 明行星距离的分布是规则的。明行星距离的分布是规则的。 l(3)在火星与木星之间的
45、博德间隔，把行星分为两组，即在火星与木星之间的博德间隔，把行星分为两组，即 内行星或类地行星内行星或类地行星(水星、金星、地球和火星水星、金星、地球和火星)，体积都，体积都 较小，而密度较大，并接近太阳。它们在自转轴上转动较小，而密度较大，并接近太阳。它们在自转轴上转动 速度较慢，几乎没有卫星。类木行星速度较慢，几乎没有卫星。类木行星(木星、土星、天王木星、土星、天王 星、海王星星、海王星)都是体积大、密度低、且距离太阳较远的行都是体积大、密度低、且距离太阳较远的行 星，它们在其自转轴上转动速度较快，且具有许多卫星。星，它们在其自转轴上转动速度较快，且具有许多卫星。 最远的冥王星似乎与此况不同
46、，它可能以前是其他行星最远的冥王星似乎与此况不同，它可能以前是其他行星 的一个卫星。它们可能与地球一样，即其他类地行星可的一个卫星。它们可能与地球一样，即其他类地行星可 能也贫于气体元素，但是类木行星则较富于气体，特别能也贫于气体元素，但是类木行星则较富于气体，特别 是甲烷、氨，还可能有氢。是甲烷、氨，还可能有氢。 l(4)尽管太阳占整个太阳系全部质量的尽管太阳占整个太阳系全部质量的99，但，但 它却只提供出它却只提供出2的角动量，而行星的角动量却的角动量，而行星的角动量却 占占98左右。左右。 根据对地球岩石、月岩和由星际空间落在地根据对地球岩石、月岩和由星际空间落在地 球上的陨石进行化学分
47、折，推断类地木行星大球上的陨石进行化学分折，推断类地木行星大 部分部分(90)是由铁、氧、硅、和镁四种元素组成是由铁、氧、硅、和镁四种元素组成 的，对太阳的光谱研究表明：它几乎的，对太阳的光谱研究表明：它几乎(99)是由是由 氢和氧组成，据推测，高丰度的氢和氧是类木氢和氧组成，据推测，高丰度的氢和氧是类木 行星的特点。行星的特点。 l大多数天文学家常将一个恒星的演化作这样的描述：在大多数天文学家常将一个恒星的演化作这样的描述：在 星际空间有大量气体和尘埃在运动，而且作用于气体和星际空间有大量气体和尘埃在运动，而且作用于气体和 尘埃的各种不同力都处于稳定平衡之中。为此，设想这尘埃的各种不同力都处
48、于稳定平衡之中。为此，设想这 种体系的原始力是：由质点间万有引力引起的力和。种体系的原始力是：由质点间万有引力引起的力和。 由旋转引起的离心力。因为空间物质分布是不均匀的，由旋转引起的离心力。因为空间物质分布是不均匀的， 依据空间物质分布的普遍不均匀性原理依据空间物质分布的普遍不均匀性原理 (Tatsch，1977)， 在某个阶段，平衡体系总要变为不平衡或被打破平衡。在某个阶段，平衡体系总要变为不平衡或被打破平衡。 为此，就依次发生了凝聚作用，使气体和尘埃聚集到质为此，就依次发生了凝聚作用，使气体和尘埃聚集到质 量体系的中心。这就是多数人一致认为的一个恒星是如量体系的中心。这就是多数人一致认为
49、的一个恒星是如 何产生的论点。何产生的论点。 地球的化学组成特征地球的化学组成特征 l但是在地球这里，氢和氦的含量都很少，而是铁占了第但是在地球这里，氢和氦的含量都很少，而是铁占了第 一位，其次是氧和硅，还有很多镁、镍和铝等金属元素。一位，其次是氧和硅，还有很多镁、镍和铝等金属元素。 地球的化学组成为何如此不同地球的化学组成为何如此不同? ?这个问题得在它的形成这个问题得在它的形成 过程中去寻找原因。过程中去寻找原因。 拉普拉斯设想太阳系是由炽热的气体冷凝而成的，星云拉普拉斯设想太阳系是由炽热的气体冷凝而成的，星云 物质冷却收缩的过程就是地球形成的过程，但是天文探物质冷却收缩的过程就是地球形成
50、的过程，但是天文探 测和地质研究的结果都不支持这种假设。形成太阳系的测和地质研究的结果都不支持这种假设。形成太阳系的 星云不是炽热的，而是冷的气体和尘埃。星云不是炽热的，而是冷的气体和尘埃。 星子星子 l现在比较一致的看法是，在形成地球的这团冷现在比较一致的看法是，在形成地球的这团冷 星云里，在万有引力的作用下，物质的微粒互星云里，在万有引力的作用下，物质的微粒互 相吸引，形成小的团块，也叫做星子。星子再相吸引，形成小的团块，也叫做星子。星子再 互相吸引，大的互相吸引，大的“吃吃”掉小的，不断碰撞、不掉小的，不断碰撞、不 断吸积，直至成为地球和其他行星的前身。这断吸积，直至成为地球和其他行星的
