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地球科学原理之一:太阳系的构成和起源

已有 4360 次阅读 2009-3-1 22:25 |个人分类:地球科学|系统分类:科研笔记| 地球科学, 太阳系, 起源, 构成

地球科学原理之一:太阳系的构成和起源

广东海洋大学

廖永岩

(电子信箱:rock6783@126.com

 

地球科学原理,顾名思义,是有关地球起源、演化、构造运动、能量流等方面的基本原理。地球科学原理重点解决地球演化动力学,即认识地球为什么区别于其它行星,从古到今,能演化到现在的主要动力,及地球将来的演化趋势,为人类认识地球、了解地球、及将来控制地球服务。

地球是太阳系的一颗行星,为了很好地了解地球,我们先来认识太阳系的构成和起源。

1 太阳系的构成

太阳系拥有1颗恒星、8颗行星、大量卫星和一些小行星、慧星、陨星及星际物质等。太阳系位于银河系的旋臂上,以大约两亿年的周期绕银河系的中心旋转。太阳系的最外以冥王星的轨道为边界,直径为1.18×1010km,合79个天文单位(一个天文单位为日地距离,约1.5×108km(吴泰然和何国琦,2003)

太阳系的中心是太阳,一颗炽热的恒星。太阳的内部温度达到10×106K~15×106K,其能源来自内部的热核反应。组成太阳的物质主要是氢(约70%)和氦(27%),其他元素只占2.5%左右。太阳的最外部是由日冕组成的太阳大气,从日冕中升起的粒子流构成了太阳风向宇宙空间辐射,并带走了太阳热核反应的大部分能量。太阳质量大约是太阳系全部质量的99.866%,行星的质量在太阳系中可以说是微不足道的。不可思议的是,太阳的转动惯量和它所具有的质量却很不相称,只占太阳系总转动惯量的2%(吴泰然和何国琦,2003)

太阳系的行星可以分为两大类:类地行星和类木行星。靠近太阳的4颗行星(水星、金星、地球和火星)与地球大小、物质组成和内部结构等方面都很相似,故称为类地行星,又称内行星;太阳系靠外的除了冥王星以外的四颗行星(木星、土星、天王星和海王星),由于与木星的性质相近,称为类木行星,又称为外行星。

2 太阳系起源的假说

太阳系的起源问题存在着很多未知数,从18世纪起,先后出现的各种太阳系起源的假说至少有几十种,随着近30年来科学技术的飞速发展,关于太阳系起源的问题才得到一些共识。

2.1 灾变假说

法国科学家布丰(G. Buffon)于18世纪中期提出一个假说,认为行星的形成是由于太阳遭到了另一个大天体强烈的撞击,他认为这个天体可能是慧星。这是第一个关于太阳系形成的灾变假说,其后这类假说还多次提出过,直到本世纪初还有人提出,但每次都以不成功而告终。不成功是由两个方法学的缺乏所造成的:把太阳的起源和行星的起源割裂开了,而所有的特征(化学组成,更主要的是同位素组成、年龄、行星只占整个太阳系质量的0.02%等事实)都表明它们有共同的起源;给行星的形成以偶然性,而不认为是一个有规律的过程。

2.2 康德-拉普拉斯假说

德国学者康德(I. Kant)于1775年提出的假说更具有科学意义。康德坚决与以往的宗教说法决裂,他勇取地声明:“请给我物质,我给你们看宇宙是如何从物质组成的”。康德假说的前提是,充满宇宙的物质最初以元素质点的形式均匀分布于空间之中,然后,在万有引力的作用下开始形成物质凝聚的中心,中心之一就是太阳;同时物质开始了旋转运动。继而,环绕太阳运动的尘埃云组成了行星。完善并给康德假说以数学基础的功绩属于法国的数学家拉普拉斯(P. S. Laplace, 1796)。因此,这个假说在后来被称为康德-拉普拉斯假说。按拉普拉斯的说法,最初存在着处于万有引力作用下旋转着的和收缩着的气状星云(在此以前不久,赫歇耳(W. Herschel)发现了这种星云),星云中有一个凝聚中心,后来演化成太阳。随着旋转和收缩的加强,星云团成了扁的形状,并分出了环,环进一步形成凝聚中心-未来行星的胚胎。卫星以类似的方式在行星周围形成。最初,行星和卫星都应该是炽热的气球,只是由于后来的冷却,才有了壳和成了固体。因此拉普拉斯的宇宙假说(注意不是康德)属于“热”宇宙假说。

2.3 摩耳顿-张伯伦假说

太阳系的一个特征参数是其转动惯量的分配,惯量由产生它的物体距太阳的远近和该物体自转的速率决定。从太阳和行星具有共同起源出发,占整个太阳系全部质量90%以上的太阳也应有最大的转动惯量。但实际上由于太阳自转很慢,它只占有总转动惯量的2%,而行星,特别是那些巨行星,首先是木星却占有总转动惯量的98%。经典形式的康德-拉普拉斯假说不能解释这个矛盾现象。在20世纪初人们开始寻找代替的假说,英国天文学家琼斯(J. H. Jeans)的假说就是其中之一。他回到了布丰的观点,但认为组成行星的太阳物质不是慧星撞击,而是另一个行经太阳附近的星球从太阳中吸引出的结果。美国天文学家摩耳顿(F. Multon)和地质学家张伯伦(T. Chemberlen)共同提出了一个类似的假说,按这个假说,从太阳分出气体是由行经太阳附近的一颗星的强大引力作用造成的,然后在凝聚中形成微星,进一步形成小行星、行星。星子的概念在科学中站稳了脚跟,然而假说本身后来被摒弃了。

2.4 太阳俘获气-尘埃-流星云的假说

前苏联学者施密特(О. Ю. Шмидт)为了走出运动惯量分布问题的死胡同,提出了有特色的太阳俘获气-尘埃-流星云的假说,这种云在后来凝聚成了行星。施氏的学生们继续发展了施密特假说中重要的肯定成分,他们提出了原始行星云凝聚过程的模型,原始行星的进一步凝聚就成了后来的行星及其卫星。他们认为星云物质初始是冷的,所以施密特的宇宙假说与康德假说一样属于“冷”的,而不像拉普拉斯的学说那样属于“热”的宇宙假说。

2.5 现代得到最多支持的假说

在过去对太阳系起源的认识中,有三个问题困扰着科学家:其一是动量和质量的分布,为什么太阳具有太阳系全部质量的99.866%,其动量却不到2%?康德-拉普拉斯的假说正是由于不能合理解释这个问题而困扰;其二是重元素的来源,由于太阳系比许多其他恒星包含有更多的重元素,可以推知太阳是第二代行星,即形成太阳的气体云中包含着其他恒星经过核燃烧散发到空间中的余烬。其三是太阳系的行星既有许多共同的特征,又有各自的特点,使得太阳系起源假说的建立更加困难。近30年来,随着天文学的巨大进步,许多太阳系起源的问题已基本清楚。人们惊讶地发现,现代太阳系起源假说似乎又回到了康德最初的思想上。天文学家成功地观察到星际之间的等离子体的成星过程,恒星的诞生主要是由于磁场和气尘云及射线压力的反作用。这个过程发生在河外星系的悬臂的外边界,银河系也是如此。超新星的爆发可能是附近星云开始收缩的推动力,太阳系的重元素和短周期的放射性同位素可能是超新星爆发过程中强烈的核反应所形成的。现代太阳系起源假说基本包括以下四个阶段:

第一阶段,原始太阳气尘云与邻近的一颗即将成超新星的星。

第二阶段,超新星爆发,原始太阳气尘云在超新星影响的范围之内,并从超新星的爆发中获得能量和重元素、放射性同位素等物质。

第三阶段,在超新星能量的推动下,太阳气尘云开始旋转并逐步形成中心的太阳。当太阳达到一定大的时候,内部开始发生热核反应。年轻的恒星,尤其是重量大的恒星开始向外抛射物质,在太阳系的外围形成环绕太阳的环。

第四阶段,太阳系的中间部分形成太阳,环绕太阳的环逐渐凝聚成星子,并以星子为中心逐渐形成行星。行星的卫星也有着相似的过程。

太阳系形成初期,太阳周围的原始行星云和太阳都快速旋转着,但渐渐地被磁流体动力所减缓,使太阳系中的惯量重新分配。在太阳系星云的演化中,太阳可能以电磁力或湍流对流的形式向行星转移惯量(吴泰然和何国琦,2003)

太阳系有如此的构成和起源,那太阳系的地球又是怎么形成的?地球具有怎样的圈层结构?这些圈层结构又是如何形成的?请听下回分解。

未完,待续。

参考文献

吴泰然,何国琦. 普通地质学. 北京: 北京大学出版社. 2003. 9-63

(注:本“地球科学原理”系列,是根据廖永岩著,海洋出版社(20075月)出版的《地球科学原理》一书改编而来,转载者请署明出处,请不要用于商业用途

 



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