作者：廖永巖 編輯：探礦者
地球科學(xué)原理，顧名思義，是有關(guān)地球起源、演化、構造運動(dòng)、能量流等方面的基本原理。地球科學(xué)原理重點(diǎn)解決地球演化動(dòng)力學(xué)，即認識地球為什么區別于其它行星，從古到今，能演化到現在的主要動(dòng)力，及地球將來(lái)的演化趨勢，為人類(lèi)認識地球、了解地球、及將來(lái)控制地球服務(wù)。
地球是太陽(yáng)系的一顆行星，為了很好地了解地球，我們先來(lái)認識太陽(yáng)系的構成和起源。
1 太陽(yáng)系的構成
太陽(yáng)系擁有1顆恒星、8顆行星、大量衛星和一些小行星、慧星、隕星及星際物質(zhì)等。太陽(yáng)系位于銀河系的旋臂上，以大約兩億年的周期繞銀河系的中心旋轉。太陽(yáng)系的最外以冥王星的軌道為邊界，直徑為1.18×1010km，合79個(gè)天文單位（一個(gè)天文單位為日地距離，約1.5×108km）(吳泰然和何國琦，2003)。
太陽(yáng)系的中心是太陽(yáng)，一顆熾熱的恒星。太陽(yáng)的內部溫度達到10×106K~15×106K，其能源來(lái)自?xún)炔康臒岷朔磻?。組成太陽(yáng)的物質(zhì)主要是氫（約70%）和氦（27%），其他元素只占2.5%左右。太陽(yáng)的最外部是由日冕組成的太陽(yáng)大氣，從日冕中升起的粒子流構成了太陽(yáng)風(fēng)向宇宙空間輻射，并帶走了太陽(yáng)熱核反應的大部分能量。太陽(yáng)質(zhì)量大約是太陽(yáng)系全部質(zhì)量的99.866%，行星的質(zhì)量在太陽(yáng)系中可以說(shuō)是微不足道的。不可思議的是，太陽(yáng)的轉動(dòng)慣量和它所具有的質(zhì)量卻很不相稱(chēng)，只占太陽(yáng)系總轉動(dòng)慣量的2%(吳泰然和何國琦，2003)。
太陽(yáng)系的行星可以分為兩大類(lèi)：類(lèi)地行星和類(lèi)木行星?？拷?yáng)的4顆行星（水星、金星、地球和火星）與地球大小、物質(zhì)組成和內部結構等方面都很相似，故稱(chēng)為類(lèi)地行星，又稱(chēng)內行星；太陽(yáng)系靠外的除了冥王星以外的四顆行星（木星、土星、天王星和海王星），由于與木星的性質(zhì)相近，稱(chēng)為類(lèi)木行星，又稱(chēng)為外行星。
2 太陽(yáng)系起源的假說(shuō)
太陽(yáng)系的起源問(wèn)題存在著(zhù)很多未知數，從18世紀起，先后出現的各種太陽(yáng)系起源的假說(shuō)至少有幾十種，隨著(zhù)近30年來(lái)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，關(guān)于太陽(yáng)系起源的問(wèn)題才得到一些共識。
2.1 災變假說(shuō)
法國科學(xué)家布豐（G. Buffon）于18世紀中期提出一個(gè)假說(shuō)，認為行星的形成是由于太陽(yáng)遭到了另一個(gè)大天體強烈的撞擊，他認為這個(gè)天體可能是慧星。這是第一個(gè)關(guān)于太陽(yáng)系形成的災變假說(shuō)，其后這類(lèi)假說(shuō)還多次提出過(guò)，直到本世紀初還有人提出，但每次都以不成功而告終。不成功是由兩個(gè)方法學(xué)的缺乏所造成的：把太陽(yáng)的起源和行星的起源割裂開(kāi)了，而所有的特征（化學(xué)組成，更主要的是同位素組成、年齡、行星只占整個(gè)太陽(yáng)系質(zhì)量的0.02%等事實(shí)）都表明它們有共同的起源；給行星的形成以偶然性，而不認為是一個(gè)有規律的過(guò)程。
2.2 康德-拉普拉斯假說(shuō)
德國學(xué)者康德（I. Kant）于1775年提出的假說(shuō)更具有科學(xué)意義?？档聢詻Q與以往的宗教說(shuō)法決裂，他勇取地聲明：“請給我物質(zhì)，我給你們看宇宙是如何從物質(zhì)組成的”?？档录僬f(shuō)的前提是，充滿(mǎn)宇宙的物質(zhì)最初以元素質(zhì)點(diǎn)的形式均勻分布于空間之中，然后，在萬(wàn)有引力的作用下開(kāi)始形成物質(zhì)凝聚的中心，中心之一就是太陽(yáng)；同時(shí)物質(zhì)開(kāi)始了旋轉運動(dòng)。繼而，環(huán)繞太陽(yáng)運動(dòng)的塵埃云組成了行星。完善并給康德假說(shuō)以數學(xué)基礎的功績(jì)屬于法國的數學(xué)家拉普拉斯（P. S. Laplace, 1796）。因此，這個(gè)假說(shuō)在后來(lái)被稱(chēng)為康德-拉普拉斯假說(shuō)。按拉普拉斯的說(shuō)法，最初存在著(zhù)處于萬(wàn)有引力作用下旋轉著(zhù)的和收縮著(zhù)的氣狀星云（在此以前不久，赫歇耳（W. Herschel）發(fā)現了這種星云），星云中有一個(gè)凝聚中心，后來(lái)演化成太陽(yáng)。隨著(zhù)旋轉和收縮的加強，星云團成了扁的形狀，并分出了環(huán)，環(huán)進(jìn)一步形成凝聚中心-未來(lái)行星的胚胎。衛星以類(lèi)似的方式在行星周?chē)纬?。最初，行星和衛星都應該是熾熱的氣球，只是由于后來(lái)的冷卻，才有了殼和成了固體。因此拉普拉斯的宇宙假說(shuō)（注意不是康德）屬于“熱”宇宙假說(shuō)。
2.3 摩耳頓-張伯倫假說(shuō)
太陽(yáng)系的一個(gè)特征參數是其轉動(dòng)慣量的分配，慣量由產(chǎn)生它的物體距太陽(yáng)的遠近和該物體自轉的速率決定。從太陽(yáng)和行星具有共同起源出發(fā)，占整個(gè)太陽(yáng)系全部質(zhì)量90%以上的太陽(yáng)也應有最大的轉動(dòng)慣量。但實(shí)際上由于太陽(yáng)自轉很慢，它只占有總轉動(dòng)慣量的2%，而行星，特別是那些巨行星，首先是木星卻占有總轉動(dòng)慣量的98%。經(jīng)典形式的康德-拉普拉斯假說(shuō)不能解釋這個(gè)矛盾現象。在20世紀初人們開(kāi)始尋找代替的假說(shuō)，英國天文學(xué)家瓊斯（J. H. Jeans）的假說(shuō)就是其中之一。他回到了布豐的觀(guān)點(diǎn)，但認為組成行星的太陽(yáng)物質(zhì)不是慧星撞擊，而是另一個(gè)行經(jīng)太陽(yáng)附近的星球從太陽(yáng)中吸引出的結果。美國天文學(xué)家摩耳頓（F. Multon）和地質(zhì)學(xué)家張伯倫（T. Chemberlen）共同提出了一個(gè)類(lèi)似的假說(shuō)，按這個(gè)假說(shuō)，從太陽(yáng)分出氣體是由行經(jīng)太陽(yáng)附近的一顆星的強大引力作用造成的，然后在凝聚中形成微星，進(jìn)一步形成小行星、行星。星子的概念在科學(xué)中站穩了腳跟，然而假說(shuō)本身后來(lái)被摒棄了。
2.4 太陽(yáng)俘獲氣-塵埃-流星云的假說(shuō)
前蘇聯(lián)學(xué)者施密特（О. Ю. Шмидт）為了走出運動(dòng)慣量分布問(wèn)題的死胡同，提出了有特色的太陽(yáng)俘獲氣-塵埃-流星云的假說(shuō)，這種云在后來(lái)凝聚成了行星。施氏的學(xué)生們繼續發(fā)展了施密特假說(shuō)中重要的肯定成分，他們提出了原始行星云凝聚過(guò)程的模型，原始行星的進(jìn)一步凝聚就成了后來(lái)的行星及其衛星。他們認為星云物質(zhì)初始是冷的，所以施密特的宇宙假說(shuō)與康德假說(shuō)一樣屬于“冷”的，而不像拉普拉斯的學(xué)說(shuō)那樣屬于“熱”的宇宙假說(shuō)。
2.5 現代得到最多支持的假說(shuō)
在過(guò)去對太陽(yáng)系起源的認識中，有三個(gè)問(wèn)題困擾著(zhù)科學(xué)家：其一是動(dòng)量和質(zhì)量的分布，為什么太陽(yáng)具有太陽(yáng)系全部質(zhì)量的99.866%，其動(dòng)量卻不到2%？康德-拉普拉斯的假說(shuō)正是由于不能合理解釋這個(gè)問(wèn)題而困擾；其二是重元素的來(lái)源，由于太陽(yáng)系比許多其他恒星包含有更多的重元素，可以推知太陽(yáng)是第二代行星，即形成太陽(yáng)的氣體云中包含著(zhù)其他恒星經(jīng)過(guò)核燃燒散發(fā)到空間中的余燼。其三是太陽(yáng)系的行星既有許多共同的特征，又有各自的特點(diǎn)，使得太陽(yáng)系起源假說(shuō)的建立更加困難。近30年來(lái)，隨著(zhù)天文學(xué)的巨大進(jìn)步，許多太陽(yáng)系起源的問(wèn)題已基本清楚。人們驚訝地發(fā)現，現代太陽(yáng)系起源假說(shuō)似乎又回到了康德最初的思想上。天文學(xué)家成功地觀(guān)察到星際之間的等離子體的成星過(guò)程，恒星的誕生主要是由于磁場(chǎng)和氣塵云及射線(xiàn)壓力的反作用。這個(gè)過(guò)程發(fā)生在河外星系的懸臂的外邊界，銀河系也是如此。超新星的爆發(fā)可能是附近星云開(kāi)始收縮的推動(dòng)力，太陽(yáng)系的重元素和短周期的放射性同位素可能是超新星爆發(fā)過(guò)程中強烈的核反應所形成的?，F代太陽(yáng)系起源假說(shuō)基本包括以下四個(gè)階段：
第一階段，原始太陽(yáng)氣塵云與鄰近的一顆即將成超新星的星。
第二階段，超新星爆發(fā)，原始太陽(yáng)氣塵云在超新星影響的范圍之內，并從超新星的爆發(fā)中獲得能量和重元素、放射性同位素等物質(zhì)。
第三階段，在超新星能量的推動(dòng)下，太陽(yáng)氣塵云開(kāi)始旋轉并逐步形成中心的太陽(yáng)。當太陽(yáng)達到一定大的時(shí)候，內部開(kāi)始發(fā)生熱核反應。年輕的恒星，尤其是重量大的恒星開(kāi)始向外拋射物質(zhì)，在太陽(yáng)系的外圍形成環(huán)繞太陽(yáng)的環(huán)。
第四階段，太陽(yáng)系的中間部分形成太陽(yáng)，環(huán)繞太陽(yáng)的環(huán)逐漸凝聚成星子，并以星子為中心逐漸形成行星。行星的衛星也有著(zhù)相似的過(guò)程。
太陽(yáng)系形成初期，太陽(yáng)周?chē)脑夹行窃坪吞?yáng)都快速旋轉著(zhù)，但漸漸地被磁流體動(dòng)力所減緩，使太陽(yáng)系中的慣量重新分配。在太陽(yáng)系星云的演化中，太陽(yáng)可能以電磁力或湍流對流的形式向行星轉移慣量(吳泰然和何國琦，2003)。
太陽(yáng)系有如此的構成和起源，那太陽(yáng)系的地球又是怎么形成的？地球具有怎樣的圈層結構？這些圈層結構又是如何形成的？請聽(tīng)下回分解。
未完，待續。
參考文獻：
吳泰然，何國琦. 普通地質(zhì)學(xué). 北京: 北京大學(xué)出版社. 2003. 9-63
（注：本“地球科學(xué)原理”系列，是根據廖永巖著(zhù)，海洋出版社（2007年5月）出版的《地球科學(xué)原理》一書(shū)改編而來(lái)，轉載者請署明出處，請不要用于商業(yè)用途）
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