1、第二章第二章 行星地球簡史行星地球簡史本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：宇宙的起源宇宙的起源太陽系的形成太陽系的形成地球的誕生與演化地球的誕生與演化一、宇宙的起源一、宇宙的起源宇宙是如何形成的？宇宙是如何形成的？宇宙是何時形成的？宇宙是何時形成的？人們一直在探詢這些人們一直在探詢這些問題的答案問題的答案 直至現(xiàn)在！直至現(xiàn)在！Edwin Hubble (1889-1953)哈勃根據(jù)他和同事對大哈勃根據(jù)他和同事對大量河外星系的觀測資料量河外星系的觀測資料提出：提出： 幾乎所有星系都正在幾乎所有星系都正在離我們（地球）遠去離我們（地球）遠去 相距我們越遠的星系，相距我們越遠的星系，其其背行背行速度越快速度

2、越快宇宙正在膨脹！宇宙正在膨脹！架設在加利福尼亞架設在加利福尼亞WilsonWilson山頂?shù)纳巾數(shù)?Hooker Hooker 天文望遠鏡。在天文望遠鏡。在 1917- 1917-19471947年間它一直是世界上最大的年間它一直是世界上最大的天文望遠鏡。天文望遠鏡。 愛因斯坦的廣義相對論愛因斯坦的廣義相對論 早已預測了宇宙膨脹早已預測了宇宙膨脹 哈勃的觀察結果驗證了哈勃的觀察結果驗證了 這一預測的正確性這一預測的正確性電磁波光譜電磁波光譜可穿透地球可穿透地球的大氣圈？的大氣圈？波長（米）波長（米）頻率（頻率（Hz）發(fā)出波的物體發(fā)出波的物體的溫度（的溫度（K）近似尺寸近似尺寸無線電無線電微微

3、 波波紅紅 外外可見光可見光紫紫 外外X射線射線伽瑪射線伽瑪射線建筑物建筑物人人蜜蜂蜜蜂針尖針尖原生動物原生動物分子分子原子原子原子核原子核如何知道星系正在離我們遠去？紅移效應如何知道星系正在離我們遠去？紅移效應到達該觀察者的光波擴展到達該觀察者的光波擴展成較長的成較長的“紅移紅移”波長波長到達該觀察者的光波壓縮到達該觀察者的光波壓縮成較短的成較短的“藍移藍移”波長波長該觀察者看不到該觀察者看不到偏移效應偏移效應移動的光源移動的光源 空間本身在膨脹，而不是物體飛離彼此空間本身在膨脹，而不是物體飛離彼此. . 例子例子: : 葡萄干面包葡萄干面包 爬在正被吹漲的氣球上的螞蟻爬在正被吹漲的氣球上的

4、螞蟻n這并不意味著我們處于宇宙的中心這并不意味著我們處于宇宙的中心n在宇宙中的任何一個地方都看到所有在宇宙中的任何一個地方都看到所有物體都正在飛離而去物體都正在飛離而去膨脹著的宇宙膨脹著的宇宙 HubbleHubble發(fā)現(xiàn)星系發(fā)現(xiàn)星系“紅移紅移”的程度與其離我們的距離成正比，的程度與其離我們的距離成正比， 即距離越遠，紅移量越大。即距離越遠，紅移量越大。 因此，測量其紅移量就可知道星系離我們的距離。因此，測量其紅移量就可知道星系離我們的距離。 記住：光從星系傳到我們眼中是需要時間的。記?。汗鈴男窍祩鞯轿覀冄壑惺切枰獣r間的。 光的傳播速度：光的傳播速度：3030萬公里萬公里/ /秒秒 所以我們所

5、看到的星系是它們過去某個時刻的樣子。所以我們所看到的星系是它們過去某個時刻的樣子。 所看到的星系離我們越遠，我們所所看到的星系離我們越遠，我們所“回望到的過去回望到的過去”就越就越早。早。 因此紅移量越大，表示距今越久遠。因此紅移量越大，表示距今越久遠。 穿越時空穿越時空 回望回望過去過去 如果所有的星系都正在背行而去，那么在過去它們相互如果所有的星系都正在背行而去，那么在過去它們相互 間應離得較近。間應離得較近。 如此一直追溯到初始，就意味著一切的一切都始于同一如此一直追溯到初始，就意味著一切的一切都始于同一 個起點。個起點。 然后開始膨脹開來然后開始膨脹開來 這個起點被稱為這個起點被稱為“

6、大爆炸大爆炸”（the Big Bangthe Big Bang）。）。穿越時空穿越時空 回想回想過去過去大 爆 炸 與 宇 宙 的 形 成大 爆 炸 與 宇 宙 的 形 成 最初，宇宙的全部最初，宇宙的全部“物質(zhì)物質(zhì)”都集中在都集中在一個極度致密、溫度極高的微粒（比一一個極度致密、溫度極高的微粒（比一個質(zhì)子還小得多）中。個質(zhì)子還小得多）中。 然后空間開始膨脹然后空間開始膨脹 早期仍非常熾熱和致密早期仍非常熾熱和致密 充斥著黑體（充斥著黑體（blackbodyblackbody）輻射輻射 但因極其致密，光被吸收（不透明）但因極其致密，光被吸收（不透明） 溫度最終降低到能夠形成溫度最終降低到能夠

7、形成 H 原子原子 黑體輻射可自由傳播了黑體輻射可自由傳播了 ( 來自當時的光現(xiàn)在應存在于我們的四周、能夠被檢測到來自當時的光現(xiàn)在應存在于我們的四周、能夠被檢測到 3 3K K 背景輻射背景輻射) ) 隨著溫度的繼續(xù)降低，依次聚合生成了氦及其它更重的原子。隨著溫度的繼續(xù)降低，依次聚合生成了氦及其它更重的原子。 大爆炸大爆炸 2 2億年（億年（100 100 萬年？）后，開始逐步形成各種天體星系。萬年？）后，開始逐步形成各種天體星系。 v = H0 x d哈勃的原圖哈勃的原圖距離距離( (百萬光年百萬光年) )星星系系的的退退行行速速度度(Km/S)哈勃的數(shù)據(jù)哈勃的數(shù)據(jù)距星系的距離距星系的距離星

8、星系系的的退退行行速速度度計算宇宙的年齡計算宇宙的年齡哈勃定律哈勃定律（“退行速度與距離成正比退行速度與距離成正比”）d = v/H0但但 距離距離(d) = 速度速度(v)x 時間時間(t)thubble = 1/H0(t -膨脹持續(xù)的時間膨脹持續(xù)的時間 宇宙的年齡）宇宙的年齡）計算宇宙的年齡計算宇宙的年齡哈勃定律哈勃定律根據(jù)計算，從根據(jù)計算，從“大爆炸大爆炸”開始至開始至今，膨脹已持續(xù)了今，膨脹已持續(xù)了150150億年左右億年左右 宇宙的年齡宇宙的年齡宇宙的早期歷史宇宙的早期歷史 在大爆炸發(fā)生時，我們現(xiàn)今所知的在大爆炸發(fā)生時，我們現(xiàn)今所知的物質(zhì)物質(zhì)形式并不存在，存在形式并不存在，存在的只有

9、純的的只有純的能量能量。在。在 1 秒鐘之內(nèi)，四種基本力分離開來：秒鐘之內(nèi)，四種基本力分離開來： 重力：物體之間的相互引力重力：物體之間的相互引力 電磁力：將原子結合成分子；可由光子傳導電磁力：將原子結合成分子；可由光子傳導 強核力：將質(zhì)子和中子結合成原子核強核力：將質(zhì)子和中子結合成原子核 弱核力：將原子的原子核破壞，產(chǎn)生放射性衰變?nèi)鹾肆Γ簩⒃拥脑雍似茐模a(chǎn)生放射性衰變宇宙的早期歷史宇宙的早期歷史 3 分鐘后，光子和中子開始聚分鐘后，光子和中子開始聚合形成合形成氫氫和和氦氦的的原子核原子核。 大約大約 30 萬年后，溫度降到能萬年后，溫度降到能夠形成完整的氫原子和氦原子。夠形成完整的氫原子

10、和氦原子。 大約在同一時間，光子從物質(zhì)大約在同一時間，光子從物質(zhì)逸出，黑暗的原始宇宙中現(xiàn)出逸出，黑暗的原始宇宙中現(xiàn)出第一縷光芒第一縷光芒。 這一光線現(xiàn)已主要這一光線現(xiàn)已主要紅移至微波區(qū)紅移至微波區(qū) （宇宙微波背景（宇宙微波背景CMBCMB） CMB CMB 最早發(fā)現(xiàn)于最早發(fā)現(xiàn)于19601960年代年代Penzias & Wilson(Penzias & Wilson(Bell Bell 實驗室實驗室) ) 獲得獲得19781978年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎比預測晚了比預測晚了 20 20 年年 COBECOBE人造衛(wèi)星繪出了人造衛(wèi)星繪出了CMBCMB圖圖測量了光譜測量了光譜理論與實際數(shù)據(jù)

11、之間吻合很好理論與實際數(shù)據(jù)之間吻合很好 溫度溫度 = 2.73 = 2.73K K大爆炸產(chǎn)生的大爆炸產(chǎn)生的宇宙微波背景輻射宇宙微波背景輻射 Penzias and Wilson, 1965COBECOBE人造衛(wèi)星繪出的人造衛(wèi)星繪出的CMBCMB圖（圖（1992)1992)初始宇宙的第一幅詳細的全景圖（初始宇宙的第一幅詳細的全景圖（2003）這張由這張由WMAP太空探測器提供的圖中揭示了太空探測器提供的圖中揭示了130億年以前的古溫度波動（顯示為顏色的億年以前的古溫度波動（顯示為顏色的不同）。這種溫度波動的型式包含了對許多古老問題不同）。這種溫度波動的型式包含了對許多古老問題例如宇宙的年齡和宇宙

12、的形狀例如宇宙的年齡和宇宙的形狀的答案。的答案。老星系老星系最老的星系最老的星系最早的星光最早的星光第一縷光芒第一縷光芒探求探求“更早的過去更早的過去”LISA計劃計劃只有重力波能夠逃離大爆炸的瞬間只有重力波能夠逃離大爆炸的瞬間大爆炸后大爆炸后1043秒秒重力波重力波大爆炸后大爆炸后30萬年萬年大爆炸后大爆炸后150億年億年光光膨膨 脹脹大爆炸后大爆炸后1035秒秒宇宙微波背景宇宙微波背景探求探求“更早的過去更早的過去”LISA計劃計劃 美國宇航局歐洲太空總署美國宇航局歐洲太空總署 LISA：激光干涉儀太空天線激光干涉儀太空天線 探測對象：重力波探測對象：重力波 預計預計20102015年升空

13、年升空二、太陽系的形成二、太陽系的形成“星云說星云說”大爆炸產(chǎn)生的氫和氦以及星體大爆炸產(chǎn)生的氫和氦以及星體內(nèi)的聚變反應或星體爆炸產(chǎn)生內(nèi)的聚變反應或星體爆炸產(chǎn)生的較重元素形成了一團星云。的較重元素形成了一團星云。星云凝聚成一個中心為云球、星云凝聚成一個中心為云球、圍繞以云環(huán)的旋轉的圓盤。圍繞以云環(huán)的旋轉的圓盤。 位于盤中央的云球位于盤中央的云球變得不斷致密和熾變得不斷致密和熾熱并開始發(fā)生聚變熱并開始發(fā)生聚變反應初始太陽形反應初始太陽形成。塵埃（固體顆成。塵埃（固體顆粒）在環(huán)中凝聚下粒）在環(huán)中凝聚下來。來。凝聚物質(zhì)的性質(zhì)取決于溫度：凝聚物質(zhì)的性質(zhì)取決于溫度：在距太陽為在距太陽為地球地球以遠處，溫度

14、約以遠處，溫度約1500，凝聚了鐵（熔點，凝聚了鐵（熔點1538）和橄欖石（熔點）和橄欖石（熔點15001700）；在）；在木星木星所在的距所在的距離，凝聚了冰（熔點離，凝聚了冰（熔點0）和氨（熔點）和氨（熔點78）；在）；在海王星海王星所在的距離，凝聚了甲烷（熔點所在的距離，凝聚了甲烷（熔點182）。）。塵埃顆粒碰撞吸塵埃顆粒碰撞吸積，形成星子積，形成星子太陽系的形成：太陽系的形成： 46.5億年前億年前重力作用將原始重力作用將原始地球重塑成球形地球重塑成球形三、地球的誕生（三、地球的誕生（45.5億年前）億年前）星子通過不斷碰撞吸積長大，逐步發(fā)育星子通過不斷碰撞吸積長大，逐步發(fā)育成原始地球

15、。其內(nèi)部溫度升高并變軟。成原始地球。其內(nèi)部溫度升高并變軟。 地球形成的兩種假說：地球形成的兩種假說：1. 均勻吸積說均勻吸積說吸積形成一吸積形成一個大的星子個大的星子分異作用導分異作用導致物質(zhì)分離致物質(zhì)分離均質(zhì)的原均質(zhì)的原行星形成行星形成呈圈層的呈圈層的行星地球行星地球 地球形成的兩種假說：地球形成的兩種假說：2. 非均勻吸積說非均勻吸積說呈圈層的呈圈層的行星地球行星地球最后形成地殼最后形成地殼然后形成地幔然后形成地幔首先形成鐵首先形成鐵鎳質(zhì)地核鎳質(zhì)地核 月球的形成月球的形成 地球形成后不久，一顆小行星與之發(fā)生撞擊地球形成后不久，一顆小行星與之發(fā)生撞擊產(chǎn)生的碎屑形成圍繞地球的碎屑環(huán)產(chǎn)生的碎屑形

16、成圍繞地球的碎屑環(huán)由碎屑環(huán)形成了月球由碎屑環(huán)形成了月球關于月球成因的其它假說：關于月球成因的其它假說：（a a）月球形成于別處，然月球形成于別處，然后后 “ “漫游漫游”到了地球附近到了地球附近而被地球的引力所俘獲。（而被地球的引力所俘獲。（b b）月球是在太陽系形成早月球是在太陽系形成早期由環(huán)繞地球的松散物質(zhì)凝期由環(huán)繞地球的松散物質(zhì)凝聚而成的。（聚而成的。（c c）在地球早在地球早期仍處于熔融狀態(tài)時，脫出期仍處于熔融狀態(tài)時，脫出的一團熔融物質(zhì)形成了月球的一團熔融物質(zhì)形成了月球。 大氣圈與海洋的形成大氣圈與海洋的形成剛誕生的地球是裸露的固體剛誕生的地球是裸露的固體巖石表面，幾乎沒有大氣圈巖石表

17、面，幾乎沒有大氣圈,沒有海洋。隕石撞擊頻繁、沒有海洋。隕石撞擊頻繁、到處火山噴發(fā)到處火山噴發(fā) 大氣圈與海洋的形成大氣圈與海洋的形成原始大氣圈的形成原始大氣圈的形成 火山噴出氣（主要為水蒸氣和火山噴出氣（主要為水蒸氣和COCO2 2） 及少量及少量 N2, SO2, H2, H2S, CH4 彗星撞擊（冰態(tài)的氣體和冰）彗星撞擊（冰態(tài)的氣體和冰）海洋的形成海洋的形成 隨著地球逐漸冷卻，水蒸氣冷凝、隨著地球逐漸冷卻，水蒸氣冷凝、 成為降雨，海洋形成成為降雨，海洋形成 彗星撞擊可能也提供了部分水源彗星撞擊可能也提供了部分水源 生命的起源生命的起源 美國黃石國家公園美國黃石國家公園海底的黑煙囪海底的黑煙

18、囪最近的研究表明，地球上生命的最早共同祖先是最近的研究表明，地球上生命的最早共同祖先是嗜高溫嗜高溫細菌細菌，它們能夠耐高達，它們能夠耐高達110110的水溫！的水溫！地球上最古老的化石地球上最古老的化石? ? 在澳大利亞西部年齡為在澳大利亞西部年齡為3535億年億年的的 ApexApex 燧石層中發(fā)現(xiàn)的藍綠燧石層中發(fā)現(xiàn)的藍綠藻（藻（CyanobacteriaCyanobacteria） (?) (?) ( (據(jù)據(jù)BrassierBrassier等等, 2002, , 2002, Nature)Nature) 活的藍綠藻活的藍綠藻 地球大氣圈的演化地球大氣圈的演化 在距今在距今2525億年前演化

19、出了行光合億年前演化出了行光合 作用的細菌作用的細菌 CO2 + H2O + 光光 CH2O + O2有機質(zhì)有機質(zhì) 早期的早期的O2被鐵的氧化作用消耗，被鐵的氧化作用消耗， 形成了大量的條帶狀鐵礦層形成了大量的條帶狀鐵礦層 溶解鐵溶解鐵 + O2 氧化鐵氧化鐵 大氣中的大量大氣中的大量CO2被海水中的鈣、被海水中的鈣、 鎂等固定下來，形成碳酸鹽沉積鎂等固定下來，形成碳酸鹽沉積 大氣中大氣中O2的不斷富集也導致形成了保護性的臭氧（的不斷富集也導致形成了保護性的臭氧（O3）層，層，從而使后期演化出更為復雜的生物。從而使后期演化出更為復雜的生物。 寒武紀生物大爆發(fā)寒武紀生物大爆發(fā)- 5.45 5.4

20、5億年前億年前- 最早的帶殼生物出現(xiàn)最早的帶殼生物出現(xiàn)- 大量化石記錄大量化石記錄（云南澄江動物群（云南澄江動物群5.35.3億年）億年）寒武紀的三葉蟲化石寒武紀的三葉蟲化石古生代（古生代（545545245245mama）魚的時代魚的時代中生代（中生代（24524566.466.4mama）恐龍時代恐龍時代新生代（新生代（66.4 66.4 mama ）哺乳動物時代哺乳動物時代生物種群的數(shù)量生物種群的數(shù)量地質(zhì)年代（百萬年）地質(zhì)年代（百萬年） 伴隨地球的演化，生物的多樣性伴隨地球的演化，生物的多樣性 不斷發(fā)展不斷發(fā)展 發(fā)生過幾次重要的生物發(fā)生過幾次重要的生物集群絕滅集群絕滅（mass exti

21、nction）事件事件絕滅絕滅：一個物種從地球上永遠消失，：一個物種從地球上永遠消失，沒有留下后裔。沒有留下后裔。集群絕滅集群絕滅：在某個短時期內(nèi)生物發(fā)：在某個短時期內(nèi)生物發(fā)生大量絕滅，生物演化突然中斷，生大量絕滅，生物演化突然中斷，使絕滅率劇升，而新生率降到很低。使絕滅率劇升，而新生率降到很低。 造成地史上生物集群絕滅的可能原因造成地史上生物集群絕滅的可能原因全球性氣候及環(huán)境劇變?nèi)蛐詺夂蚣碍h(huán)境劇變隕星撞擊隕星撞擊劇烈的火山噴發(fā)劇烈的火山噴發(fā)From Murck et al. (1996)沖擊波沖擊波巖石蒸發(fā)巖石蒸發(fā)底部涌流底部涌流水蒸發(fā)水蒸發(fā)海嘯海嘯地震地震濺落物全球分布濺落物全球分布全球

22、大火全球大火全球黑暗全球黑暗酸雨酸雨溫室效應溫室效應隕石撞擊及其后果隕石撞擊及其后果全球陸地上的撞擊坑分布圖全球陸地上的撞擊坑分布圖生物種群的數(shù)量生物種群的數(shù)量地質(zhì)年代（百萬年）地質(zhì)年代（百萬年）恐龍絕滅：恐龍絕滅：6500萬年前萬年前據(jù)信，據(jù)信，6500萬年前的萬年前的恐龍絕滅恐龍絕滅，就是一次災難性的隕石撞擊事件就是一次災難性的隕石撞擊事件的結果的結果全球陸地上的撞擊坑分布圖全球陸地上的撞擊坑分布圖Chicxulub撞擊坑撞擊坑時間：距今時間：距今6500萬年萬年地點：（現(xiàn)今的）墨西哥地點：（現(xiàn)今的）墨西哥Yucatn 半島半島隕石直徑：約隕石直徑：約1010公里（？）公里（？）Chicx

23、ulubChicxulub撞擊坑的重力異常圖撞擊坑的重力異常圖大約大約 300 300 kmkmChicxulub 撞擊坑撞擊坑 區(qū)域效應與證據(jù)區(qū)域效應與證據(jù)古陸地古陸地海海沉沒的大陸沉沒的大陸噴濺物取樣點噴濺物取樣點未受沖擊未受沖擊的石英顆粒（的石英顆粒（左左）和）和受過沖擊受過沖擊的石英顆粒（的石英顆粒（右右）。）。 受沖擊變質(zhì)受沖擊變質(zhì)的石英顆粒系從的石英顆粒系從Chicxulub Chicxulub 沖擊坑濺射出來的，見于海地。沖擊坑濺射出來的，見于海地。 區(qū)域效應與證據(jù)區(qū)域效應與證據(jù) 區(qū)域效應與證據(jù)區(qū)域效應與證據(jù)海地海地6500萬年前的地層中（白堊系第三系界面處）因撞擊熔化而形萬年前

24、的地層中（白堊系第三系界面處）因撞擊熔化而形成的球粒物。這些球粒物構成了近半米的沉積層，其上被一層成的球粒物。這些球粒物構成了近半米的沉積層，其上被一層富銥富銥的的沉積層所覆蓋沉積層所覆蓋（銥元素在地球上的含量極低，隕石中的銥含量比地球（銥元素在地球上的含量極低，隕石中的銥含量比地球上的平均值高出數(shù)十倍至上千倍）上的平均值高出數(shù)十倍至上千倍）大陸地殼大陸地殼大洋地殼大洋地殼銥異常銥異常沖擊變質(zhì)的石沖擊變質(zhì)的石英顆粒分布英顆粒分布撞擊之后因板塊俯沖被撞擊之后因板塊俯沖被破壞的大洋地殼破壞的大洋地殼撞擊地撞擊地墨西哥墨西哥Yucatan半島半島從從Chicxulub撞擊坑拋射出的物質(zhì)的散落軌跡與分布：暗示了撞撞擊坑拋射出的物質(zhì)的散落軌跡與分布：暗示了撞擊后發(fā)生的野火使包括恐龍在內(nèi)的大量動、植物從此絕滅擊后發(fā)生的野火使包括恐龍在內(nèi)的大量動、植物從