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天文学基础知识

2012-03-16  禅修缠休

天文学基础知识

 

1.什么是宇宙?

宇宙是天地万物,是广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称。

辨证唯物主义哲学认为,世界的本质是物质的,物质可以转换不同的存在形式,但在本质上是永久存在,永久不灭的。宇宙是普遍永恒的物质世界,在空间和时间上都是无限的。从空间看宇宙是无边无际,它没有边界,没有形状,也没有中心,如果承认宇宙以外还有什么东西,就否认了世界的物质本性;从时间看宇宙无始无终,它没有起源,没有年龄,也不会终结,如果承认宇宙有起源,就会导致创世说,实际上也否认了世界的物质本性。

但具体事物的有限性也不能否认。宇宙的无限与具体事物的有限并不矛盾,因为只有无数具体的有限才能构成全部的无限。人类观察到的宇宙是动态的,随着科学技术的进步,人类所知的宇宙在不断扩大。18世纪以前人类认识宇宙的范围只限于太阳系,随后认识到太阳系以外还有千亿个恒星,它们组成了银河系。19世纪人类又发现了河外星系,发现银河系在宇宙大家庭中只不过是相当渺小的一员。20世纪50年代的光学望远镜、60年代的射电天文望远镜把人类对宇宙的探测距离猛增,人类可以永远扩大自己对物质世界的观察视野,不会停留于某一固定的边界上,这有力证明宇宙是无限的。

天文学上通常将天文观测所及的整个时空范围称为可观测宇宙,有时又叫我们的宇宙,或简称宇宙。现代科学的基本观念之一,就是可观测宇宙也像其他事物一样,有它诞生发展的历史。据现代宇宙学说估算,宇宙年龄是极其漫长的,约为150亿岁;可观测的全部宇宙空间是极为庞大的,已观测到的最远的星系距离我们大约150亿光年。

宇宙既有统一性又有多样性。宇宙的统一性在于它的物质性,宇宙的多样性在于物质的表现形式千差万别,组成宇宙的物质在存在状态、质量和性质上有着极大的差异。

宇宙是由各类天体和弥漫物质组成的。宇宙中有形形色色的天体,恒星、星云、行星、卫星、彗星、流星等天体都是宇宙物质的存在形式。

2.什么是恒星和星云?

宇宙中最主要的天体是恒星和星云,因为它们拥有巨大的质量。恒星是由炽热气态物质组成,能自行发热发光的球形或接近球形的天体。恒星是像太阳一样本身能发光的星球,晴夜用肉眼看到的许多闪闪发光的星星中,绝大多数是恒星。星云是由极其稀薄的气体和尘埃组成的,形状很不规则,似云雾状的天体。

3.什么是星系?

由无数恒星和星际物质构成的巨大集合体称为星系。它们的尺度可以从几千到几十万光年。星系或称恒星系,是宇宙系统中的重要一环。星系数量众多。到目前为止,人们已在宇宙中观测到了约1000亿个星系。地球就处在由1000多亿颗恒星以及银河星云组成银河系中。有的星系离银河系较近,可以清楚地观测到它们的结构。离银河系最近的星系——大麦哲伦星云和小麦哲伦星云,距离为十几万光年。有的非常遥远,目前所知最远的星系离我们有近150亿光年。

人们把目前所认识到的宇宙部分,包括已观测到的所有星系,称为总星系。

4.人类宇宙观的演变过程。

人类早期对宇宙的认识十分幼稚,世界上的各文明古国都有关于天地起源和结构的种种传说,充满着想象。古代关于宇宙的构造和本原也有过许多学说,最主要是亚里士多德——托勒密的地心说,认为地球是宇宙的中心,这一学说占统治地位的时间长达1400年之久。

近代人类对宇宙认识的转变始于16世纪,哥白尼倡导了日心说,他在《天体运行论》一书中提出太阳是宇宙的中心。发明了天文望远镜,他的观察和发现支持了日心说。到17世纪,牛顿开辟了以力学方法研究宇宙学的途径,建立了经典宇宙学。20世纪爱因斯坦创立了广义相对论,提出了有限、无边、静态的相对论宇宙模型。

20世纪以来,天文观测的尺度大大扩展,达到上百亿年和上百亿光年的时空区域,宇宙膨胀的动态宇宙演化观念进入了人类的意识。20年代,首先由前苏联物理学家和数学家弗里德曼提出了均匀各向同性膨胀的动态宇宙模型。特别是哈勃,发现了红移定律后,到40年代形成了伽莫夫的宇宙大爆炸理论,促成了现代宇宙学的诞生。20世纪70年代,霍金进一步用广义相对论推演宇宙演变,提出了宇宙起源和终结的论断,已经被科学界广泛接受。

5.什么是现代宇宙学?

现代宇宙学所研究的就是现今直接或间接观测所及的整个天区的大尺度时空的性质、物质运动的形态和规律。

6.关于大爆炸理论

宇宙大爆炸理论是现代宇宙学中最著名、也是影响最大的一种学说,它是到目前为止关于宇宙起源最科学的一种解释。大爆炸理论的主要观点是认为整个宇宙最初聚集在一个原始原子中,然后突然发生大爆炸,使物质密度和整体温度发生极大的变化,宇宙从密到稀、从热到冷、不断膨胀,形成了我们的宇宙。最初那次无与伦比的爆发就被称为大爆炸,这一关于宇宙起源的理论则被称为宇宙大爆炸理论。

宇宙大爆炸的设想最早由比利时天文学家勒梅特在1932年提出的。到20世纪40年代,美籍俄国天体物理学家伽莫夫提出了热大爆炸宇宙学模型,并计算出爆炸之初的温度、温度下降的快慢等,论述了演化过程。大爆炸理论在诞生之初由于缺少证据并不使人信服,但到20世纪60年代以后,越来越多的证据表明大爆炸模型在科学上有强大的说服力,特别是英国著名理论物理学家斯蒂芬·霍金对于宇宙起源后最初的宇宙演化图景作了清晰的阐释。

7.宇宙的演化过程分为哪几个阶段?

根据大爆炸宇宙学模型的观点,宇宙150亿年的演化过程分为三个阶段。大爆炸的整个过程大致是这样的:

大约150亿年前,宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起,并浓缩成很小的体积,温度极高,密度极大。突然,这个体积无限小的点在四大皆空的中爆炸了,时空从这一刻开始,物质和能量也由此产生,这就是宇宙创生的大爆炸。人们将大爆炸的瞬间定作宇宙年龄时。

第一个阶段是宇宙的极早期。宇宙处在这个阶段的时间特别短,短到以秒来计,称为太初第一秒。刚刚诞生的宇宙是极其炽热、致密的,随着宇宙迅速膨胀,温度急速下降。宇宙年龄为百分之一秒时,温度降到1000亿摄氏度;宇宙年龄为1秒时,温度继续下降,但仍高达100亿摄氏度以上,宇宙处于一种极高温、高密的状态,当时除氢核——质子外,没有任何别的化学元素,只有由质子、中子、电子、光子等基本粒子混合而成,成为热平衡状态下的宇宙汤

第二个阶段是化学元素形成阶段,大约经历了数千年。在宇宙汤中,原先只有中子和质子等基本粒子,在3分钟时中子和质子之比为16。随着整个宇宙体系不断膨胀,温度很快下降。当温度降到10亿度左右时,中子开始失去自由存在的条件,化学元素从这一时期开始形成。中子和质子开始核聚变过程,所有的中子迅速合成到由两个质子和两个中子构成的氦核中,余下的质子就成了氢原子核。这一时期还合成了其它轻元素,如氘、氚、锂、铍、硼等,数量较少。各种轻元素的丰度——即与氢的比例在宇宙各处都是一定的。当温度进一步下降到100万摄氏度时,早期形成化学元素的过程就结束了。此时宇宙间的物质主要是这些比较轻的原子核和质子、电子、光子等,光辐射很强,但是没有星体存在。

第三个阶段是宇宙形成的主体阶段。这个阶段的时间最长,至今我们仍生活在这一阶段中。这一阶段起始于温度降到几千摄氏度时,此时上述各种原子核开始与电子结合为中性原子,这一过程称为复合。由于温度的降低,辐射也逐步减弱,宇宙间主要是气态物质,这些物质的微粒相互吸引、融合,形成越来越大的团块。又过了几十亿年,中性原子在引力作用下逐渐聚集,先后形成了各级天体。气体逐渐凝聚成星云,并逐渐演化成星系、恒星和行星,再进一步形成各种各样的恒星体系,成为我们今天所看到的五彩缤纷的星空世界。在个别天体上还出现了生命现象,人类也终于在地球上诞生了。

8.支持大爆炸理论的依据有哪些?

宇宙大爆炸理论之所以能从刚提出的时候不受关注,到后来的异军突起,是因为大爆炸理论有实际依据,在它诞生前后不断得到了大量天文观测事实的支持。

观测宇宙学已经发现,在目前观测所及的范围内存在着许多重要的系统性特征,例如:星系红移、微波背景辐射、宇宙元素的丰度、宇宙的年龄等,这些观测事实都可以用大爆炸模型来论证:

1〕星系红移

天文学家观测到河外天体有系统性的谱线红移,用多普勒效应解释,红移就是宇宙膨胀的反映,这完全符合大爆炸理论。

1929年,哈勃发现不同距离的星系发出的光,颜色上稍稍有些差别。远星系的光要比近星系红一些,即波长要长一些,它说明各星系正以很高的速度彼此飞离。这一现象可以用火车远离我们行驶时汽笛的声调(即频率)所发生的变化来比拟:当一列火车快速驶远时,它的汽笛声听来会沉闷很多,因为声波相对于我们的频率变低、波长变长了,这就是多普勒效应。把声波换成光产生的效果就是红移,它被解释为是由星系系统地向远离我们的方向运动时的多普勒效应产主的,可见星系都在做远离我们的运动。

哈勃总结出谱线红移的规律是:越远的星系它的光谱线红移量就越大,因而远离我们而去的速度就越大,也就是说,对遥远星系,红移量与星系离我们的距离成正比,这红移叫宇宙学红移,或称为哈勃红移,这就是著名的哈勃定律。此后,在红外及整个电磁波波段都观测到了这个规律。哈勃对众多星系的光谱进行研究后确认红移是一种普遍现象,这表明宇宙正在膨胀。这一发现奠定了现代宇宙学的基础。

河外星系普遍远离我们而去,是因为宇宙正处在宏伟的整体膨胀之中。把宇宙中的星系想象成面包中的葡萄干,有助于理解它们随宇宙膨胀而彼此远离的图景:当一只嵌有许多葡萄干的巨大的面包膨胀时,其中的葡萄干就会随之彼此远离,其中每一颗葡萄干都会发现其它所有的葡萄干都在离开自己。相距越远的葡萄干彼此分离的相对速度也越大。在任何一个星系上,都会看到同样的情景。

此外由于万有引力的作用,宇宙膨胀的速度会随时间发生变化。万有引力作用于宇宙中一切物质与能量之间,起到刹车的作用,阻止星系往外跑,从而使膨胀速度越来越慢。在诞生初期,宇宙从高密度状态迅速膨胀,随着时间的推移,体积越来越大,膨胀速度则越来越小。将这个过程向回追溯到宇宙创生的那一刻,可以发现当时宇宙体积为零,而膨胀速度为无限大。这就是大爆炸。

宇宙整体膨胀的发现,乃是20世纪最大的科学成就之一。如今人们不断探测到更多更远的星系,但哈勃定律对它们依然成立。这个模型就叫做宇宙膨胀模型或大爆炸模型。

2〕微波背景辐射

微波背景辐射是150亿年前发生的大爆炸在今天的宇宙结构上留下的印迹。根据大爆炸理论,通过宇宙膨胀速度等可以具体计算宇宙每一历史时期的温度,伽莫夫等人在1948年就断言,我们的宇宙从最初的高温状态膨胀到现在已经很冷了,目前宇宙中应到处存在着一定温度的背景辐射,相应的温度大约是5K。由于它的辐射峰值在微波波段,故称为宇宙微波背景辐射。

1964年,原初宇宙这一最重要的遗迹被发现了。美国贝尔电话公司工程师彭齐亚斯和威尔逊在调试巨大的喇叭形天线时,出乎意料地收到一种无线电干扰噪声,这种噪声在天空中的任何方向上都能接收到,各个方向上信号的强度都一样,而且历时数月而无变化。这种噪声的波长在微波波段,这一发现正是大爆炸宇宙论预言的宇宙微波背景辐射,经过进一步测量和计算,得出辐射温度是27K,一般称之为3K宇宙微波背景辐射。1989年,美国航空和航天局专门发射了宇宙背景探测器卫星,对宇宙背景辐射进行更精密的测量。

宇宙微波背景辐射的发现,是继1929年哈勃发现星系谱线红移之后的又一重大的天文成就,因此它被列为20世纪60年代天文学四大发现之一。微波背景辐射的发现有力地支持了宇宙大爆炸理论。

3〕宇宙元素的丰度

大爆炸模型预言宇宙应当由大约25%的氦和75%的氢组成,这与天文测量结果极为符合。在宇宙中,氢和氦是最丰富的元素,二者丰度之和约占99%。而且氢和氦的丰度比在许多不同的天体上均约为三比一左右。

按标准宇宙模型,在热平衡的宇宙汤阶段,中子与质子的数量相等。随着宇宙的膨胀,宇宙变冷,二者比例降低。中子和质子很容易聚合在一起,开始了形成氦核的核反应,产生由两个质子、两个中子组成的氦核。这个过程用完了所有的中子,形成的氦约占宇宙物质总质量的四分之一,余下的质子就成了氢原子核,即氦同氢的质量分别占25%和75%。这也说明元素形成时其它元素的份量很少,宇宙中几乎全是氢和氦。从太阳系、其它恒星、星际介质、不同星系以及宇宙射线观测和研究中获得的数据表明,宇宙氦的含量在22%~25%之间,而氢与氦的质量比约为31,理论值与观测值接近。另外同一时期合成的氘、氚、锂、铍、硼等轻元素尽管数量比氢、氦少得多,但理论给出的丰度值与实际观测也较接近。这些事实对大爆炸宇宙模型是有力的支持。因此,宇宙中99%以上的物质是由最初形成的氢与氦构成的;而造成行星和生命的丰富多彩的重元素还不到宇宙总质量的l%,它们大部分是在形成恒星后产生的。

4〕宇宙的年龄

宇宙有开端就有年龄。根据宇宙膨胀的速率倒推,大爆炸发生在约150亿年前。如果宇宙正在膨胀,星系正在彼此远离,那宇宙过去必定比较小,星系过去必定靠得更近。如果能把宇宙史这个过程倒过来进行,势必会发现在过去的某个时刻,所有的星辰都是聚合在一起的。也就是说,较早时代的宇宙,物质密度会更高。继续这一推理就意味着过去必定存在一个有限的时刻,那时宇宙中的物质被压缩为极其高密的状态。按照哈勃定律将星系的距离除以各自的速度,就可估计出那一时刻距今约150亿年。

这段时间对所有星系来说是共同的。根据大爆炸理论,宇宙中一切天体都是在温度下降后产生的,因而任何天体的年龄都应比自温度降至今天这一段时间为短,所有恒星的年龄都不应超过由宇宙年龄所确定的上限。各种天体年龄的测量证明了这一点。利用放射性同位素含量测定年代的方法,人们测量了地球上最古老的岩石,测量了宇航员从月球上带回的土壤、岩石样品,测量了来自行星际空间的陨石,发现它们的年龄均不超过47亿年。恒星的年龄可从它们的发光速率与能源储备来估算,根据热核反应提供恒星能源的理论,人们估计出银河系中最老恒星的年龄为100150亿年。用这两种完全不同的方法得到的天体年龄与宇宙龄是协调一致的,这对大爆炸宇宙模型是十分有力的支持。

上述天文观测事实极大地支持了大爆炸模型。当然大爆炸宇宙论也还存在许多未解决的难题,还有待于深入研究和取得更多的观测资料,才能得到进一步的结论。

9.宇宙的未来是怎样的?

大爆炸宇宙论指出150亿年之前的大爆炸是空间、时间、物质与能量的起源,这一学说是有关宇宙起源和演化的种种学说中最有说服力,观测事实最为丰富,因而也最广泛地为人们所采纳。但我们的宇宙是否会永远膨胀下去?宇宙今后的图景和未来的命运又是怎样的呢?大爆炸宇宙论并没有给出明确的答复。

按照大爆炸模型,宇宙在诞生后不断膨胀,与此同时,物质间的万有引力对膨胀过程进行牵制。这里有两种可能:

一种可能是宇宙膨胀将永远继续下去。如果宇宙总质量小于某一特定数值,则引力不足以阻止膨胀,宇宙就将一直膨胀下去。在这个系统里,引力虽不足以使膨胀停止,但会不断地消耗着系统的能量,使宇宙缓慢地走向衰亡。宇宙越来越稀薄和寒冷,直至物质本身最后衰亡,只剩下宇宙背景辐射。到非常遥远的将来,所有的恒星燃尽熄灭,茫茫黑暗中潜伏着一些黑洞、中子星等天体。黑洞释放出微弱的辐射,最终全都以热和光的形式蒸发掉。足够长的时间之后,连质子这样稳定的基本粒子也衰变、消亡了,宇宙最终变成一锅稀得难以置信的汤,其中有光子、中微子,越来越少的电子和正电子。所有这些粒子都在缓慢地运动,彼此越来越远,不会再有任何基本物理过程出现,出现寒冷、黑暗、荒凉而又空虚的宇宙,它已经走完了自己的历程,达到了热寂的状态。

另一种可能是膨胀停止而代之以收缩。如果宇宙的总质量大于某一特定数值,那么总有一天宇宙将在自身引力的作用下收缩,造成与大爆炸相反的大坍塌。收缩过程与大爆炸后的膨胀是对称的,像一场倒放的电影。收缩的过程起初很缓慢,随后越来越快。宇宙的体积开始缩小,背景辐射温度上升。漆黑寒冷的宇宙变成一个越来越热的熔炉,行星、恒星也毁灭了,分布在如今浩瀚空间中的物质被挤进一个很小的体积内,任何天体都在劫难逃。最后三分钟来临了,温度变得如此之高,连原子核也被撕毁,宇宙又成了一锅基本粒子汤。然而这种状态也只能生存几秒钟的时间。随后,质子和中子也无法区分,挤成一堆等离子体。在最后的时刻实现大紧缩,宇宙逆转回到出发点。引力成为占绝对优势的作用力,所有的物质都因挤压不复存在,一切有形的东西,包括空间和时间本身,都被消灭,成为一切事物的末日。宇宙在大爆炸中诞生于无,此刻也归于无。

宇宙是膨胀还是收缩这两种可能主要取决于宇宙物质的总量。根据目前的估算,宇宙物质的总量只达到要使宇宙重新坍缩的临界质量的百分之十左右,因此如果仅仅依据观测证据,则可预言宇宙会继续无限地膨胀下去。但是可能还有其他种类的暗物质未被我们探测到,可能最普通的基本粒子中微子也存在静止质量,只要其中任何一个问题的答案是肯定的,那么总引力便足以阻止膨胀,宇宙最终可能会坍缩。

此外,宇宙大爆炸学说在两个关键问题上无法解释:其一,大爆炸以前宇宙的图景如何?大爆炸宇宙的理论不能外推到大爆炸之前,尚不能确切地解释在所存物质和能量聚集在一点上之前到底存在着什么东西,是什么引起了大爆炸。其二,如果宇宙最终重新坍缩回到原点,又会发生什么?有天文学家提出了宇宙无始无终论:宇宙一直在反复地收缩然后又膨胀着。宇宙曾经处于体积非常大、物质密度非常小的状态,它在万有引力作用下渐渐收缩、聚拢起来,直到所有的物质统统撞到一起为止。这样的宇宙被称为收缩宇宙。然后,它突然爆炸了,结果形成我们今天观测到的这个膨胀宇宙。今天的宇宙膨胀将被不断起作用的引力所抵消,最终引力迫使宇宙的膨胀完全停顿下来,进而又转为收缩。因此有可能宇宙并没有什么开端,它一直在反复地聚拢然后又分开,分开而后又聚拢,聚拢分开永无止境。这样的一幅图景被称为振荡宇宙。

宇宙的过去和未来究竟是怎样的?相信科学终将会作出令人信服的回答。

10.简述恒星的形成、演化和归宿的全过程。

在从星际弥漫物质到恒星的演化链上,恒星的形成是关键环节。恒星的起源和演化,长久以来一直是天文学中最基本、也最令人感兴趣的问题,也是解决得最好的问题之一,从而成为20世纪自然科学的重要成就。

1718世纪牛顿、康德等人提出的星云假说,即散布于空间中的弥漫物质可以在引力作用下凝聚成太阳系和恒星的学说的基础上,经过历代天文学家的努力,逐渐发展成为相当成熟的理论。20世纪60年代确立了恒星是从星际分子云中形成的这一重大现代学说,成为恒星形成研究的主要成就。

根据这一学说,恒星是从太空中的星际气体和尘埃中诞生的,恒星有形成、发展、死亡和再生的过程。

(一)恒星的形成

恒星形成可分为两个阶段:

第一阶段是星云阶段,由极其稀薄的物质凝聚成星云并进一步收缩成原恒星。

第二阶段是原恒星阶段,由原恒星逐渐发展成为恒星。一般把处于慢收缩阶段的天体称为原恒星。原恒星进一步形成恒星的收缩过程要持续几百万到几千万年。

(二)恒星的演化

恒星的演化如同人的一生,经历从青壮年到更年期、老年期的过程。

1)恒星的青壮年期

恒星的青年期壮年期是一生中最长的黄金阶段,这时的恒星称为主序星。人们迄今所知的恒星约有90%都属主序星。在这段时间,恒星以几乎不变的恒定光度发光发热,照亮周围的宇宙空间。核燃烧使恒星内部物质产生向外的辐射压力,当辐射压力与引力达到平衡时,恒星的体积和温度就不再明显变化。

2)恒星的更年期

恒星的更年期出现在恒星核心部分的氢完全转变成氦后,例如有7个太阳质量大小的恒星的更年期大约在形成的2600万年后出现。这一阶段恒星核心经历这些不同的核聚变反应,恒星也经历多次收缩膨胀,其光度也发生周期性的变化。最后产生巨大辐射压力,自恒星内部往外传递,并将恒星的外层物质迅速推向外围空间,形成红巨星、红超巨星。

3)恒星的老年期

恒星的老年期是从一颗恒星变成红巨星开始进入这一阶段的。由于恒星的体积急剧增大,导致恒星的表面温度下降,因而颜色变红。同时,恒星发光表面的面积剧增,致使整个恒星发出的光大大增强,从而大为增亮。这种又红又亮的恒星就是红巨星。

(三)恒星的归宿

恒星内部的热核反应是不会永远进行下去的,当恒星的核燃料耗尽时恒星也走到了它的尽头。由于恒星自身物质之间的巨大引力始终存在,随着恒星内部热核反应的停止,尽管恒星外层部分会出现膨胀、爆发等复杂的变动,核心部分却必定在引力作用下发生急剧的收缩、即所谓引力坍缩。因此当恒星内部的核燃料消耗殆尽时,常会发生一场空前激烈的爆发。整个星体或者炸得粉碎,把恒星物质重新抛人广袤的星际空间,成为产生新一代恒星的原料,或者只剩下一个残骸。

恒星的归宿因初始质量不同而有三种不同的结局,即白矮星、中子星和黑洞。

11.简介太阳系

在银河系中,太阳只是1000亿颗恒星中的普通一员。但却是一个以太阳为中心,包括大小行星、卫星、彗星等天体在内的大家庭。

在银河系中太阳属中等大小的恒星,太阳系是由受太阳引力约束的天体组成的系统,整体大致是个球体,它的最大范围约可延伸到1光年以外。太阳系的主要成员有:太阳(恒星)、九大行星(包括地球)、无数小行星、众多卫星(包括月亮),还有彗星、流星体以及大量尘埃物质和稀薄的气态物质。在太阳系中,太阳的质量占太阳系总质量的99.8%,其它天体的总和不到总质量的0.2%。太阳是中心天体,它的引力控制着整个太阳系,使其它天体绕太阳公转。

1)太阳系的九大行星太阳系有九大行星(图5-2-5),由内向外,包括水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星,都在接近同一平面的近圆轨道上,朝同一方向绕太阳公转。

2)太阳的特征和结构

在地球所看到的天空最引人注目的就是带来光明和温暖的太阳(图5-2-6)。太阳是距离地球最近的恒星,是唯一可以详细研究表面结构的恒星。特别是太阳给地球带来光明和温暖,使我们这个星球充满生机,因而是近现代研究最多的恒星。

与地球相比,太阳是一个巨大的球体。太阳的质量是地球质量的33.34万倍。太阳的质量占了太阳系总质量的99.87%,它强大的引力控制着大小行星、彗星等天体的运动。太阳直径有139万千米,需要109个地球才能填满太阳的横截面。

太阳是一颗自己能发光发热的气体星球,不但辐射可见光,还不断辐射着其它波长的电磁波,包括γ射线、X射线、紫外线、红外线等。除了光和热,太阳也发散一种低密度的粒子流(多半为电子和质子)形成太阳风,以450千米/秒的速度在太阳系中传播。太阳风深深的影响着地球和其它行星,在地球上产生北极光,对无线电通讯造成影响,并使彗星产生了彗尾。

12.太阳系的形成和演化

关于太阳系的起源有多种学说,最主要的有两类:一类是星云说,认为太阳系是由一个旋转着的星云在收缩过程中逐渐形成的,18世纪的康德拉普拉斯学说就属于星云学说。另一类是各种灾变说,灾变说由于缺乏证据而逐渐被抛弃,20世纪中期以来兴起的新星云说则得到公认。

根据星云说,太阳系是由星际之间的气体和尘埃组成的星云收缩而形成的。太阳系的形成经历了三个阶段:

1)星云的压缩 约在50亿年前,银河系中存在一团云状的缓慢转动的弥漫星际气尘——“太阳星云,星云的质量是现在的太阳的1220倍。由于其它天体的引力扰动或邻近超新星爆发的冲击波,原太阳星云在自身的引力下开始坍塌收缩,开始收缩时的横宽约为2光年。

2)原太阳和星云盘的产生在收缩过程中,随着星云内部质点碰撞的次数和猛烈程度的增大,云团中心的密度不断增大,原太阳星云大量引力势能转化为热能,使星云内部温度不断升高。它较稠密的核心部分不断压缩,很快收缩成一个气体大球,先是坍缩为原始太阳,然后按照恒星演化历程,成为一颗主序星——这就是我们今天所见的太阳。周围旋转的尘粒和气体原子则绕着它公转,形成一个薄盘。由于气体有一定膨胀压力,而尘埃之间碰撞所引起的向外扩散却很小,摩擦碰撞使它们带静电而更容易聚积成团。

尘埃碰撞粘合成大颗粒,尘埃颗粒向星云盘的赤道面集中,进一步碰撞。这个过程不断进行,直到形成大团块,这些由自身引力维系的团块就被称为星子。星子有大有小,其典型尺度与小行星相仿,其中一部分成为今天的小行星和彗核,另一部分则继续碰撞合并。

3)行星的形成 这些星子中有些相互碰撞增大,成为行星的胚胎,称为行星胎,行星胎进一步吸积周围的物质最终成为行星。

从诞生至今,太阳系已经演化了约50亿年,太阳用去了内核中一半的氢原子,估计它仍将稳定地辐射50亿年左右。预计至100亿年,它的光亮度将是现在的一倍。至130亿年进入红巨星阶段。在其存在的最后阶段,太阳中的氦将转变成重元素,太阳的体积也将开始不断膨胀,太阳将变得比今天的太阳大100倍,光度增大,表面温度升高,那时它将处于极其不稳定状态,随着状态的变化终会将地球吞没。在经过1亿年的红巨星阶段后,它要将外壳的相当部分抛入宇宙中去而损失掉很多物质。最后几乎全部的剩余量集中在很小的区域,太阳将突然坍缩成一颗白矮星,到达其存在的最后阶段。再经历几万亿年,它将耗尽所有能量,最终完全冷却。

13.地球的圈层结构

以固体的地球表面为界,整个地球主要划分为外部圈层和内部圈层两大部分,即内三圈和外三圈。内三圈指固体地球内部的主要分层,由地表到地心依次分为地壳、地幔、地核;外三圈指地球外部离地表平均800千米以内的圈层,包括大气圈、水圈和生物圈。此外,在外部圈层之外,还存在着超外圈——磁层,起始于离地表600—1000千米,磁层顶在向太阳一侧为10.5个地球半径,在背向太阳一侧可延伸到几百至上千个地球半径。地球各圈层在分布上有一个显著的特点,即固体地球内部以及表面之上的高空基本上是上下平行分布的,而在地球表面附近各圈层,即内、外圈层相互接触处则是相互渗透甚至相互重叠的,其中生物圈表现最为显著,其次是水圈。这部分就被称为地球表层,是多圈层相互渗透彼此交织在一起的特殊圈层,也是与人类生存关系最为密切的地球部分。

14.地球的外部圈层是如何划分的?

地球的外部圈层(图5-3-2)与磁层及内部圈层之间并没有严格的界线,各圈层之间也没有明显的分界,特别在底层大气圈、水圈、生物圈相互交错。

1)大气圈 大气圈是地球外圈中最外部的气体圈层,存在于整个地球外层。大气圈是地球海陆表面到星际空间的过渡圈层,没有明显的上限,一直可以延续到800千米高度以上,只是越趋向外大气越少,在2000 16000 千米高空仍有稀薄的气体和基本粒子。它包围着海洋和陆地。地下土壤和某些岩石中也会有少量空气,它们也可认为是大气圈的一个组成部分。

大气圈对生物的形成、发育和保护有很大的作用。由于大气圈的存在,挡住住绝大多数飞向地球的陨石,拦截下太阳辐射中的大部分紫外线和来自宇宙的高能粒子流,保护了地球生命,免遭外来的打击。因此,大气圈是地球表面和生命的盾牌。

2)水圈 水圈是指连续包围地球表面的水层,包括海洋、江河、湖泊、沼泽、冰川和地下水等,它是一个连续但不很规则的圈层。既有液态水,也包括气态水和固态水。

从离地球数万千米的高空看地球,可以看到地球大气圈中水汽形成的白云和覆盖地球大部分的蓝色海洋,它使地球成为一颗蓝色的行星,又是一颗水球

水圈是地球特有的环境优势。水圈的运动和循环影响了地球上各种环境条件的变化,影响各个圈层,使地球处在不断地变换之中。更重要的是水对亿万种生命以及人类能在地球上生存和发展,具有决定性的意义。

3)生物圈 生物圈是太阳系所有行星中仅在地球上存在的一个独特圈层。生物圈是指地球表层生物有机体及其生存环境的总称,是一个有生命的特殊圈层。

生物圈是地球特有的圈层,它是地球大气、水和地壳长期演化、相互作用的结果,它又参与了对岩石、大气和水等其他圈层的改造,对地表物质的循环、能量转换和积聚具有特殊作用。

15.地球的内部圈层是如何划分的?

地球内部是无法直接观测到的。地球科学家使用地震的方法研究地球内部的结构与构成。根据地球物理的研究,地球内部是一个非均质体,各层物质的密度、压力、温度、物理状态和化学成分存在着明显差异。地球内部存在两个明显的地震波不连续界面,由此将地球内部分为地壳、地幔和地核三个同心圈层(图5-3-3)。其中地壳及地幔顶部是由坚硬的岩石所组成的,厚度约为70千米150千米,又称为岩石圈。

1)地壳 地壳是地球表面的一层薄壳。厚度不均匀,大陆地区平均厚度约35千米,最厚处可达70千米(如我国的青藏高原);海洋地区平均约7千米,最薄处仅4千米,地壳的体积为全地球体积1%,质量为全球质量的04%,密度是地球平均密度的12,为2729/厘米3。危害极大的大陆浅源地震,就是发生在地壳这一层内。

2)地幔 地幔介于地壳和地核之间。

在距地球表面以下平均深度60250千米处的上地幔上部有一层软流圈,它位于岩石圈之下,是一个明显的地震波的低速层,物质具有柔性。软流圈可能与地球表面的许多活动有密切的关系,它是岩浆的源地、地震和火山现象的根源,造成地幔对流、海底扩张和板块构造,形成有用的矿藏。

3)地核 地核指地球核心部分,半径约3400千米,质量和体积分别为全球的315%和16%,密度极高,边缘区为97/厘米3,地核中心则高13/厘米3,温度也随深度而上升,地核边缘的温度是3700,地心达到5500—6000。地核主要由高密度的铁镍合金组成。地核也被分为外核和内核两部分。

16. 地球圈层的形成过程?

46亿年前,原始地球诞生了。从形成之时起,地球一直在不断发展演变着。早期演化过程的基本运动形式是圈层分化运动,即重物质向地心和轻物质向地表的运动。原始地质圈层形成之后,地球仍处于不断变化之中,地球物质圈层分化继续进行,直到生命产生、人类诞生,出现了一系列极其复杂漫长的演化过程。这样地球由低级的、原始的地质圈层向现今的高级圈层的不断发展,成为地球最基本的地质演化内容。

地球圈层的这种发展演化过程,是一个有一定方向的不可逆的历史过程。但它的初期演变已无痕迹可见,只能通过天文学、地球物理学、地球化学、地质学等方面的综合研究来重现这一演变过程,其中影响最为深远的是整个地球分化成为同心圈层的变化,包括地球内部地核、地幔和地壳的形成和演变和大气圈、水圈的形成和演变,尤其重要的是生物圈的出现和演变。

1)地球内部圈层的形成和演变

原始地球从太阳星云分化出来以后,最初阶段各种物质是混杂在一起,并没有明显的分层现象。此时温度很低,各种不同物质以固态存在,它们不可能在重力作用下自由地升降。但是由于地球体积的逐渐变大,地球保存热能的能力就不断加强。随着地球内部放射性物质衰变产生的能量的大量积聚,地球温度逐渐升高。这样地球本身产生的热能就在地球内部积累起来,地球内部的温度逐渐升高。在地内温度逐渐升高的前提下,地内物质也就具有越来越高的可塑性甚至处于熔融状态,在地球重力作用下不可避免地发生圈层分化。这样当温度升高,地内物质的可塑性达到一定程度时,较重物质缓慢地下沉,同时较轻物质缓慢地上升。这就开始了地球的圈层分化。按化学组成的不同,分化而成地壳、地幔和地核。

2)大气圈和水圈的形成和演变

在原始地球的外部产生了大气圈和水圈。原先在地球内部的各种气体在地球分化过程中上升到地表,受地球引力作用集聚在地壳外围而成为原始大气圈。而原先以结晶水形式存在于地球内部的大量水随着地内温度的升高成为水蒸汽,通过火山活动进入大气层,最终以降雨的形式到达地面形成原始的水圈。

3)水圈的形成和演变

水圈中的水同样来自于地球内部。地球表面在原始地球形成初期并没有水的存在。地球上的水绝大部分以岩石中的结晶水的形式,存在于地球的内部。随着原始地球的变热,地内温度的升高,地球内部产生愈来愈多的水汽。这些水汽往往通过火山活动跑到地球的外部,出现在大气中,然后以雨滴的形式降落地面,并逐渐地形成海洋,出现原始的水圈。因此地表水圈中水的直接来源是大气,是大气中水汽的凝结物,但从根本上讲是来自地球内部,来自地下的岩石。

4)生物圈的形成和演变

当原始大气和原始水圈在地球上出现时,地球上仍是一个没有生命的世界。但大气、水和原始的地壳的出现为生命的诞生奠定了必要的基础。从无生命物质到生命的转化是一个极为缓馒的过程,生命是由无生命的物质转化来的。约35亿年前,原始生命产生于原始海洋之中。在太阳的紫外线、大气的电击雷鸣、地下的火山熔岩等作用下,原始大气中存在的甲烷、氨、水汽和氢转化成简单的有机物。大气中的有机物随降水进入海洋,同时地壳上的有机物和无机盐随地面径流进入海洋。它们在海水中发生频繁的接触和密切的联系。这样简单的有机物就逐渐发展成多分子的有机物,并且逐步变成能够不断自我更新、自我再生的物质,从而形成了原始的生命。

虽然35亿年以前原始生命就已经在海水中产生,但是在此后长达30亿年的时间里,生命始终局限在海水中。没有海水的保护,生命就难于避免强烈的太阳紫外线的伤害。在距今6亿年前,绿色植物开始在海洋中占优势,生物开始对地球自然环境的发展产生重大影响。

绿色植物的出现为生物登陆创造了前提条件,因为绿色植物在光合作用中所产生的游离氧的积累,终于导致大气中出现臭氧,并在高空中形成臭氧层。臭氧能够有效地吸收紫外线,因而对地面上的生物起保护作用。高空臭氧层的出现意味着陆上生物的生命有了保障。这样在距今4亿年前,绿色植物登陆成功,使生物从海洋登上陆地,陆地上出现了生物的大发展。生物的数量和种类开始了大幅度的增长,在陆地和海洋都出现了动植物的大繁荣,进而发展成为完善的地球生物圈,使地球的自然环境出现了大变化,发展成为地球的生物圈。至今110多万种动物和40多万种植物组成了瑰丽多采的生物世界。

生物圈形成以后,整个地球仍然在发展变化着。特别是大约300万年前,作为高等动物的人类的出现,开始了地球发展演化的新阶段,这是影响地球自然环境的重大飞跃。

17.什么是板块构造理论?

地球自从形成以来在地表和内部进行着永不停息的运动变化,地球表面形态特征正是地球的内外力综合作用的结果,其中内力是形成地球表面差异的重要原因。探讨地壳运动的产生原因,需要用大地构造理论加以解释。

板块构造说是20世纪60年代提出的一种新的全球构造学说,由于板块构造新理论的出现,地球科学取得了突破性进展,意义十分重大。目前板块构造说已经成为综合多学科成果的主要理论框架,成为现代流行的被普遍接受的最新理论形式。

20世纪60年代以来,海底扩张的现象已被证实,大陆漂移的假说也被普遍承认。1965年,科学家运用计算机使地球各个大陆以现有的形状恰好拼合在一起,并将海地地形、地震位置、火山等活跃部位都连接成为带状。

由此,人们设想,大陆漂移和海底扩张可能表现为若干岩石圈板块的相互运动。1968年,法国的勒皮雄(X.Lepichon)、美国的摩根(W. J. Morgan)和英国的麦肯齐(D. P. Mckenzie)等学者根据当时已经发现的诸多新的地质现象,把大陆漂移和海底扩张的概念发展成为著名的板块构造说。板块构造说提出后,又被许多科学家不断予以完善,很快得到了其他地学工作者的赞同。现代地球科学的发展,以板块构造说的建立为标志进入了革命时期。

1970年后,板块构造学说确立。板块构造学说的基本观点是:

1)岩石圈板块是在软流圈上滑动的

地球的最上层沿垂直方向可划分为物理性质截然不同的两层:坚硬的岩石圈和部分熔融的软流圈。全球岩石圈(包括地壳和上地幔一部分)不是一个整体,而是由相互运动着的若干刚性板块所构成的。每一个板块都在软流圈之上,岩石圈板块就在软流圈上滑动,大陆漂移实际上是板块运动的结果。这些板块在以每年1厘米10厘米的速度在移动。

2)地球的岩石圈划分为许多板块

岩石圈分为若干个板块,各个板块在不断移动相互挤压,而各个板块内部相对比较稳定。勒皮雄把全球岩石圈划分为6大板块(图5-3-7):欧亚板块、非洲板块、美洲板块、印度板块、南极板块和太平洋板块,它们决定了全球板块运动的特点。板块的分界不受海陆限制。岩石圈的厚度一般是70100千米,在洋中脊其厚度不足10千米

3)地球板块之间在相互运动

板块的内部比较稳定,板块之间则比较活动,板块相对移动而发生的彼此碰撞或张裂,形成了地球表面的基本面貌。

4)板块作用的驱动力是地幔对流作用

地幔对流体存在岩石圈之下,对流体上升的地区正是大洋的海岭,在对流体的作用下,海底岩石受力破裂,地幔物质上升到达顶部冷却凝结而形成海岭,以后继续上升的地幔物质从海岭顶部的巨大开裂处涌出,形成新的大洋地壳,又把早先形成的大洋地壳以每年几厘米的速度推向两边,使海底不断更新和扩张。

 

1.什么是宇宙?

宇宙是天地万物,是广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称。

辨证唯物主义哲学认为,世界的本质是物质的,物质可以转换不同的存在形式,但在本质上是永久存在,永久不灭的。宇宙是普遍永恒的物质世界,在空间和时间上都是无限的。从空间看宇宙是无边无际,它没有边界,没有形状,也没有中心,如果承认宇宙以外还有什么东西,就否认了世界的物质本性;从时间看宇宙无始无终,它没有起源,没有年龄,也不会终结,如果承认宇宙有起源,就会导致创世说,实际上也否认了世界的物质本性。

但具体事物的有限性也不能否认。宇宙的无限与具体事物的有限并不矛盾,因为只有无数具体的有限才能构成全部的无限。人类观察到的宇宙是动态的,随着科学技术的进步,人类所知的宇宙在不断扩大。18世纪以前人类认识宇宙的范围只限于太阳系,随后认识到太阳系以外还有千亿个恒星,它们组成了银河系。19世纪人类又发现了河外星系,发现银河系在宇宙大家庭中只不过是相当渺小的一员。20世纪50年代的光学望远镜、60年代的射电天文望远镜把人类对宇宙的探测距离猛增,人类可以永远扩大自己对物质世界的观察视野,不会停留于某一固定的边界上,这有力证明宇宙是无限的。

天文学上通常将天文观测所及的整个时空范围称为可观测宇宙,有时又叫我们的宇宙,或简称宇宙。现代科学的基本观念之一,就是可观测宇宙也像其他事物一样,有它诞生发展的历史。据现代宇宙学说估算,宇宙年龄是极其漫长的,约为150亿岁;可观测的全部宇宙空间是极为庞大的,已观测到的最远的星系距离我们大约150亿光年。

宇宙既有统一性又有多样性。宇宙的统一性在于它的物质性,宇宙的多样性在于物质的表现形式千差万别,组成宇宙的物质在存在状态、质量和性质上有着极大的差异。

宇宙是由各类天体和弥漫物质组成的。宇宙中有形形色色的天体,恒星、星云、行星、卫星、彗星、流星等天体都是宇宙物质的存在形式。

2.什么是恒星和星云?

宇宙中最主要的天体是恒星和星云,因为它们拥有巨大的质量。恒星是由炽热气态物质组成,能自行发热发光的球形或接近球形的天体。恒星是像太阳一样本身能发光的星球,晴夜用肉眼看到的许多闪闪发光的星星中,绝大多数是恒星。星云是由极其稀薄的气体和尘埃组成的,形状很不规则,似云雾状的天体。

3.什么是星系?

由无数恒星和星际物质构成的巨大集合体称为星系。它们的尺度可以从几千到几十万光年。星系或称恒星系,是宇宙系统中的重要一环。星系数量众多。到目前为止,人们已在宇宙中观测到了约1000亿个星系。地球就处在由1000多亿颗恒星以及银河星云组成银河系中。有的星系离银河系较近,可以清楚地观测到它们的结构。离银河系最近的星系——大麦哲伦星云和小麦哲伦星云,距离为十几万光年。有的非常遥远,目前所知最远的星系离我们有近150亿光年。

人们把目前所认识到的宇宙部分,包括已观测到的所有星系,称为总星系。

4.人类宇宙观的演变过程。

人类早期对宇宙的认识十分幼稚,世界上的各文明古国都有关于天地起源和结构的种种传说,充满着想象。古代关于宇宙的构造和本原也有过许多学说,最主要是亚里士多德——托勒密的地心说,认为地球是宇宙的中心,这一学说占统治地位的时间长达1400年之久。

近代人类对宇宙认识的转变始于16世纪,哥白尼倡导了日心说,他在《天体运行论》一书中提出太阳是宇宙的中心。发明了天文望远镜,他的观察和发现支持了日心说。到17世纪,牛顿开辟了以力学方法研究宇宙学的途径,建立了经典宇宙学。20世纪爱因斯坦创立了广义相对论,提出了有限、无边、静态的相对论宇宙模型。

20世纪以来,天文观测的尺度大大扩展,达到上百亿年和上百亿光年的时空区域,宇宙膨胀的动态宇宙演化观念进入了人类的意识。20年代,首先由前苏联物理学家和数学家弗里德曼提出了均匀各向同性膨胀的动态宇宙模型。特别是哈勃,发现了红移定律后,到40年代形成了伽莫夫的宇宙大爆炸理论,促成了现代宇宙学的诞生。20世纪70年代,霍金进一步用广义相对论推演宇宙演变,提出了宇宙起源和终结的论断,已经被科学界广泛接受。

5.什么是现代宇宙学?

现代宇宙学所研究的就是现今直接或间接观测所及的整个天区的大尺度时空的性质、物质运动的形态和规律。

6.关于大爆炸理论

宇宙大爆炸理论是现代宇宙学中最著名、也是影响最大的一种学说,它是到目前为止关于宇宙起源最科学的一种解释。大爆炸理论的主要观点是认为整个宇宙最初聚集在一个原始原子中,然后突然发生大爆炸,使物质密度和整体温度发生极大的变化,宇宙从密到稀、从热到冷、不断膨胀,形成了我们的宇宙。最初那次无与伦比的爆发就被称为大爆炸,这一关于宇宙起源的理论则被称为宇宙大爆炸理论。

宇宙大爆炸的设想最早由比利时天文学家勒梅特在1932年提出的。到20世纪40年代,美籍俄国天体物理学家伽莫夫提出了热大爆炸宇宙学模型,并计算出爆炸之初的温度、温度下降的快慢等,论述了演化过程。大爆炸理论在诞生之初由于缺少证据并不使人信服,但到20世纪60年代以后,越来越多的证据表明大爆炸模型在科学上有强大的说服力,特别是英国著名理论物理学家斯蒂芬·霍金对于宇宙起源后最初的宇宙演化图景作了清晰的阐释。

7.宇宙的演化过程分为哪几个阶段?

根据大爆炸宇宙学模型的观点,宇宙150亿年的演化过程分为三个阶段。大爆炸的整个过程大致是这样的:

大约150亿年前,宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起,并浓缩成很小的体积,温度极高,密度极大。突然,这个体积无限小的点在四大皆空的中爆炸了,时空从这一刻开始,物质和能量也由此产生,这就是宇宙创生的大爆炸。人们将大爆炸的瞬间定作宇宙年龄时。

第一个阶段是宇宙的极早期。宇宙处在这个阶段的时间特别短,短到以秒来计,称为太初第一秒。刚刚诞生的宇宙是极其炽热、致密的,随着宇宙迅速膨胀,温度急速下降。宇宙年龄为百分之一秒时,温度降到1000亿摄氏度;宇宙年龄为1秒时,温度继续下降,但仍高达100亿摄氏度以上,宇宙处于一种极高温、高密的状态,当时除氢核——质子外,没有任何别的化学元素,只有由质子、中子、电子、光子等基本粒子混合而成,成为热平衡状态下的宇宙汤

第二个阶段是化学元素形成阶段,大约经历了数千年。在宇宙汤中,原先只有中子和质子等基本粒子,在3分钟时中子和质子之比为16。随着整个宇宙体系不断膨胀,温度很快下降。当温度降到10亿度左右时,中子开始失去自由存在的条件,化学元素从这一时期开始形成。中子和质子开始核聚变过程,所有的中子迅速合成到由两个质子和两个中子构成的氦核中,余下的质子就成了氢原子核。这一时期还合成了其它轻元素,如氘、氚、锂、铍、硼等,数量较少。各种轻元素的丰度——即与氢的比例在宇宙各处都是一定的。当温度进一步下降到100万摄氏度时,早期形成化学元素的过程就结束了。此时宇宙间的物质主要是这些比较轻的原子核和质子、电子、光子等,光辐射很强,但是没有星体存在。

第三个阶段是宇宙形成的主体阶段。这个阶段的时间最长,至今我们仍生活在这一阶段中。这一阶段起始于温度降到几千摄氏度时,此时上述各种原子核开始与电子结合为中性原子,这一过程称为复合。由于温度的降低,辐射也逐步减弱,宇宙间主要是气态物质,这些物质的微粒相互吸引、融合,形成越来越大的团块。又过了几十亿年,中性原子在引力作用下逐渐聚集,先后形成了各级天体。气体逐渐凝聚成星云,并逐渐演化成星系、恒星和行星,再进一步形成各种各样的恒星体系,成为我们今天所看到的五彩缤纷的星空世界。在个别天体上还出现了生命现象,人类也终于在地球上诞生了。

8.支持大爆炸理论的依据有哪些?

宇宙大爆炸理论之所以能从刚提出的时候不受关注,到后来的异军突起,是因为大爆炸理论有实际依据,在它诞生前后不断得到了大量天文观测事实的支持。

观测宇宙学已经发现,在目前观测所及的范围内存在着许多重要的系统性特征,例如:星系红移、微波背景辐射、宇宙元素的丰度、宇宙的年龄等,这些观测事实都可以用大爆炸模型来论证:

1〕星系红移

天文学家观测到河外天体有系统性的谱线红移,用多普勒效应解释,红移就是宇宙膨胀的反映,这完全符合大爆炸理论。

1929年,哈勃发现不同距离的星系发出的光,颜色上稍稍有些差别。远星系的光要比近星系红一些,即波长要长一些,它说明各星系正以很高的速度彼此飞离。这一现象可以用火车远离我们行驶时汽笛的声调(即频率)所发生的变化来比拟:当一列火车快速驶远时,它的汽笛声听来会沉闷很多,因为声波相对于我们的频率变低、波长变长了,这就是多普勒效应。把声波换成光产生的效果就是红移,它被解释为是由星系系统地向远离我们的方向运动时的多普勒效应产主的,可见星系都在做远离我们的运动。

哈勃总结出谱线红移的规律是:越远的星系它的光谱线红移量就越大,因而远离我们而去的速度就越大,也就是说,对遥远星系,红移量与星系离我们的距离成正比,这红移叫宇宙学红移,或称为哈勃红移,这就是著名的哈勃定律。此后,在红外及整个电磁波波段都观测到了这个规律。哈勃对众多星系的光谱进行研究后确认红移是一种普遍现象,这表明宇宙正在膨胀。这一发现奠定了现代宇宙学的基础。

河外星系普遍远离我们而去,是因为宇宙正处在宏伟的整体膨胀之中。把宇宙中的星系想象成面包中的葡萄干,有助于理解它们随宇宙膨胀而彼此远离的图景:当一只嵌有许多葡萄干的巨大的面包膨胀时,其中的葡萄干就会随之彼此远离,其中每一颗葡萄干都会发现其它所有的葡萄干都在离开自己。相距越远的葡萄干彼此分离的相对速度也越大。在任何一个星系上,都会看到同样的情景。

此外由于万有引力的作用,宇宙膨胀的速度会随时间发生变化。万有引力作用于宇宙中一切物质与能量之间,起到刹车的作用,阻止星系往外跑,从而使膨胀速度越来越慢。在诞生初期,宇宙从高密度状态迅速膨胀,随着时间的推移,体积越来越大,膨胀速度则越来越小。将这个过程向回追溯到宇宙创生的那一刻,可以发现当时宇宙体积为零,而膨胀速度为无限大。这就是大爆炸。

宇宙整体膨胀的发现,乃是20世纪最大的科学成就之一。如今人们不断探测到更多更远的星系,但哈勃定律对它们依然成立。这个模型就叫做宇宙膨胀模型或大爆炸模型。

2〕微波背景辐射

微波背景辐射是150亿年前发生的大爆炸在今天的宇宙结构上留下的印迹。根据大爆炸理论,通过宇宙膨胀速度等可以具体计算宇宙每一历史时期的温度,伽莫夫等人在1948年就断言,我们的宇宙从最初的高温状态膨胀到现在已经很冷了,目前宇宙中应到处存在着一定温度的背景辐射,相应的温度大约是5K。由于它的辐射峰值在微波波段,故称为宇宙微波背景辐射。

1964年,原初宇宙这一最重要的遗迹被发现了。美国贝尔电话公司工程师彭齐亚斯和威尔逊在调试巨大的喇叭形天线时,出乎意料地收到一种无线电干扰噪声,这种噪声在天空中的任何方向上都能接收到,各个方向上信号的强度都一样,而且历时数月而无变化。这种噪声的波长在微波波段,这一发现正是大爆炸宇宙论预言的宇宙微波背景辐射,经过进一步测量和计算,得出辐射温度是27K,一般称之为3K宇宙微波背景辐射。1989年,美国航空和航天局专门发射了宇宙背景探测器卫星,对宇宙背景辐射进行更精密的测量。

宇宙微波背景辐射的发现,是继1929年哈勃发现星系谱线红移之后的又一重大的天文成就,因此它被列为20世纪60年代天文学四大发现之一。微波背景辐射的发现有力地支持了宇宙大爆炸理论。

3〕宇宙元素的丰度

大爆炸模型预言宇宙应当由大约25%的氦和75%的氢组成,这与天文测量结果极为符合。在宇宙中,氢和氦是最丰富的元素,二者丰度之和约占99%。而且氢和氦的丰度比在许多不同的天体上均约为三比一左右。

按标准宇宙模型,在热平衡的宇宙汤阶段,中子与质子的数量相等。随着宇宙的膨胀,宇宙变冷,二者比例降低。中子和质子很容易聚合在一起,开始了形成氦核的核反应,产生由两个质子、两个中子组成的氦核。这个过程用完了所有的中子,形成的氦约占宇宙物质总质量的四分之一,余下的质子就成了氢原子核,即氦同氢的质量分别占25%和75%。这也说明元素形成时其它元素的份量很少,宇宙中几乎全是氢和氦。从太阳系、其它恒星、星际介质、不同星系以及宇宙射线观测和研究中获得的数据表明,宇宙氦的含量在22%~25%之间,而氢与氦的质量比约为31,理论值与观测值接近。另外同一时期合成的氘、氚、锂、铍、硼等轻元素尽管数量比氢、氦少得多,但理论给出的丰度值与实际观测也较接近。这些事实对大爆炸宇宙模型是有力的支持。因此,宇宙中99%以上的物质是由最初形成的氢与氦构成的;而造成行星和生命的丰富多彩的重元素还不到宇宙总质量的l%,它们大部分是在形成恒星后产生的。

4〕宇宙的年龄

宇宙有开端就有年龄。根据宇宙膨胀的速率倒推,大爆炸发生在约150亿年前。如果宇宙正在膨胀,星系正在彼此远离,那宇宙过去必定比较小,星系过去必定靠得更近。如果能把宇宙史这个过程倒过来进行,势必会发现在过去的某个时刻,所有的星辰都是聚合在一起的。也就是说,较早时代的宇宙,物质密度会更高。继续这一推理就意味着过去必定存在一个有限的时刻,那时宇宙中的物质被压缩为极其高密的状态。按照哈勃定律将星系的距离除以各自的速度,就可估计出那一时刻距今约150亿年。

这段时间对所有星系来说是共同的。根据大爆炸理论,宇宙中一切天体都是在温度下降后产生的,因而任何天体的年龄都应比自温度降至今天这一段时间为短,所有恒星的年龄都不应超过由宇宙年龄所确定的上限。各种天体年龄的测量证明了这一点。利用放射性同位素含量测定年代的方法,人们测量了地球上最古老的岩石,测量了宇航员从月球上带回的土壤、岩石样品,测量了来自行星际空间的陨石,发现它们的年龄均不超过47亿年。恒星的年龄可从它们的发光速率与能源储备来估算,根据热核反应提供恒星能源的理论,人们估计出银河系中最老恒星的年龄为100150亿年。用这两种完全不同的方法得到的天体年龄与宇宙龄是协调一致的,这对大爆炸宇宙模型是十分有力的支持。

上述天文观测事实极大地支持了大爆炸模型。当然大爆炸宇宙论也还存在许多未解决的难题,还有待于深入研究和取得更多的观测资料,才能得到进一步的结论。

9.宇宙的未来是怎样的?

大爆炸宇宙论指出150亿年之前的大爆炸是空间、时间、物质与能量的起源,这一学说是有关宇宙起源和演化的种种学说中最有说服力,观测事实最为丰富,因而也最广泛地为人们所采纳。但我们的宇宙是否会永远膨胀下去?宇宙今后的图景和未来的命运又是怎样的呢?大爆炸宇宙论并没有给出明确的答复。

按照大爆炸模型,宇宙在诞生后不断膨胀,与此同时,物质间的万有引力对膨胀过程进行牵制。这里有两种可能:

一种可能是宇宙膨胀将永远继续下去。如果宇宙总质量小于某一特定数值,则引力不足以阻止膨胀,宇宙就将一直膨胀下去。在这个系统里,引力虽不足以使膨胀停止,但会不断地消耗着系统的能量,使宇宙缓慢地走向衰亡。宇宙越来越稀薄和寒冷,直至物质本身最后衰亡,只剩下宇宙背景辐射。到非常遥远的将来,所有的恒星燃尽熄灭,茫茫黑暗中潜伏着一些黑洞、中子星等天体。黑洞释放出微弱的辐射,最终全都以热和光的形式蒸发掉。足够长的时间之后,连质子这样稳定的基本粒子也衰变、消亡了,宇宙最终变成一锅稀得难以置信的汤,其中有光子、中微子,越来越少的电子和正电子。所有这些粒子都在缓慢地运动,彼此越来越远,不会再有任何基本物理过程出现,出现寒冷、黑暗、荒凉而又空虚的宇宙,它已经走完了自己的历程,达到了热寂的状态。

另一种可能是膨胀停止而代之以收缩。如果宇宙的总质量大于某一特定数值,那么总有一天宇宙将在自身引力的作用下收缩,造成与大爆炸相反的大坍塌。收缩过程与大爆炸后的膨胀是对称的,像一场倒放的电影。收缩的过程起初很缓慢,随后越来越快。宇宙的体积开始缩小,背景辐射温度上升。漆黑寒冷的宇宙变成一个越来越热的熔炉,行星、恒星也毁灭了,分布在如今浩瀚空间中的物质被挤进一个很小的体积内,任何天体都在劫难逃。最后三分钟来临了,温度变得如此之高,连原子核也被撕毁,宇宙又成了一锅基本粒子汤。然而这种状态也只能生存几秒钟的时间。随后,质子和中子也无法区分,挤成一堆等离子体。在最后的时刻实现大紧缩,宇宙逆转回到出发点。引力成为占绝对优势的作用力,所有的物质都因挤压不复存在,一切有形的东西,包括空间和时间本身,都被消灭,成为一切事物的末日。宇宙在大爆炸中诞生于无,此刻也归于无。

宇宙是膨胀还是收缩这两种可能主要取决于宇宙物质的总量。根据目前的估算,宇宙物质的总量只达到要使宇宙重新坍缩的临界质量的百分之十左右,因此如果仅仅依据观测证据,则可预言宇宙会继续无限地膨胀下去。但是可能还有其他种类的暗物质未被我们探测到,可能最普通的基本粒子中微子也存在静止质量,只要其中任何一个问题的答案是肯定的,那么总引力便足以阻止膨胀,宇宙最终可能会坍缩。

此外,宇宙大爆炸学说在两个关键问题上无法解释:其一,大爆炸以前宇宙的图景如何?大爆炸宇宙的理论不能外推到大爆炸之前,尚不能确切地解释在所存物质和能量聚集在一点上之前到底存在着什么东西,是什么引起了大爆炸。其二,如果宇宙最终重新坍缩回到原点,又会发生什么?有天文学家提出了宇宙无始无终论:宇宙一直在反复地收缩然后又膨胀着。宇宙曾经处于体积非常大、物质密度非常小的状态,它在万有引力作用下渐渐收缩、聚拢起来,直到所有的物质统统撞到一起为止。这样的宇宙被称为收缩宇宙。然后,它突然爆炸了,结果形成我们今天观测到的这个膨胀宇宙。今天的宇宙膨胀将被不断起作用的引力所抵消,最终引力迫使宇宙的膨胀完全停顿下来,进而又转为收缩。因此有可能宇宙并没有什么开端,它一直在反复地聚拢然后又分开,分开而后又聚拢,聚拢分开永无止境。这样的一幅图景被称为振荡宇宙。

宇宙的过去和未来究竟是怎样的?相信科学终将会作出令人信服的回答。

10.简述恒星的形成、演化和归宿的全过程。

在从星际弥漫物质到恒星的演化链上,恒星的形成是关键环节。恒星的起源和演化,长久以来一直是天文学中最基本、也最令人感兴趣的问题,也是解决得最好的问题之一,从而成为20世纪自然科学的重要成就。

1718世纪牛顿、康德等人提出的星云假说,即散布于空间中的弥漫物质可以在引力作用下凝聚成太阳系和恒星的学说的基础上,经过历代天文学家的努力,逐渐发展成为相当成熟的理论。20世纪60年代确立了恒星是从星际分子云中形成的这一重大现代学说,成为恒星形成研究的主要成就。

根据这一学说,恒星是从太空中的星际气体和尘埃中诞生的,恒星有形成、发展、死亡和再生的过程。

(一)恒星的形成

恒星形成可分为两个阶段:

第一阶段是星云阶段,由极其稀薄的物质凝聚成星云并进一步收缩成原恒星。

第二阶段是原恒星阶段,由原恒星逐渐发展成为恒星。一般把处于慢收缩阶段的天体称为原恒星。原恒星进一步形成恒星的收缩过程要持续几百万到几千万年。

(二)恒星的演化

恒星的演化如同人的一生,经历从青壮年到更年期、老年期的过程。

1)恒星的青壮年期

恒星的青年期壮年期是一生中最长的黄金阶段,这时的恒星称为主序星。人们迄今所知的恒星约有90%都属主序星。在这段时间,恒星以几乎不变的恒定光度发光发热,照亮周围的宇宙空间。核燃烧使恒星内部物质产生向外的辐射压力,当辐射压力与引力达到平衡时,恒星的体积和温度就不再明显变化。

2)恒星的更年期

恒星的更年期出现在恒星核心部分的氢完全转变成氦后,例如有7个太阳质量大小的恒星的更年期大约在形成的2600万年后出现。这一阶段恒星核心经历这些不同的核聚变反应,恒星也经历多次收缩膨胀,其光度也发生周期性的变化。最后产生巨大辐射压力,自恒星内部往外传递,并将恒星的外层物质迅速推向外围空间,形成红巨星、红超巨星。

3)恒星的老年期

恒星的老年期是从一颗恒星变成红巨星开始进入这一阶段的。由于恒星的体积急剧增大,导致恒星的表面温度下降,因而颜色变红。同时,恒星发光表面的面积剧增,致使整个恒星发出的光大大增强,从而大为增亮。这种又红又亮的恒星就是红巨星。

(三)恒星的归宿

恒星内部的热核反应是不会永远进行下去的,当恒星的核燃料耗尽时恒星也走到了它的尽头。由于恒星自身物质之间的巨大引力始终存在,随着恒星内部热核反应的停止,尽管恒星外层部分会出现膨胀、爆发等复杂的变动,核心部分却必定在引力作用下发生急剧的收缩、即所谓引力坍缩。因此当恒星内部的核燃料消耗殆尽时,常会发生一场空前激烈的爆发。整个星体或者炸得粉碎,把恒星物质重新抛人广袤的星际空间,成为产生新一代恒星的原料,或者只剩下一个残骸。

恒星的归宿因初始质量不同而有三种不同的结局,即白矮星、中子星和黑洞。

11.简介太阳系

在银河系中,太阳只是1000亿颗恒星中的普通一员。但却是一个以太阳为中心,包括大小行星、卫星、彗星等天体在内的大家庭。

在银河系中太阳属中等大小的恒星,太阳系是由受太阳引力约束的天体组成的系统,整体大致是个球体,它的最大范围约可延伸到1光年以外。太阳系的主要成员有:太阳(恒星)、九大行星(包括地球)、无数小行星、众多卫星(包括月亮),还有彗星、流星体以及大量尘埃物质和稀薄的气态物质。在太阳系中,太阳的质量占太阳系总质量的99.8%,其它天体的总和不到总质量的0.2%。太阳是中心天体,它的引力控制着整个太阳系,使其它天体绕太阳公转。

1)太阳系的九大行星太阳系有九大行星(图5-2-5),由内向外,包括水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星,都在接近同一平面的近圆轨道上,朝同一方向绕太阳公转。

2)太阳的特征和结构

在地球所看到的天空最引人注目的就是带来光明和温暖的太阳(图5-2-6)。太阳是距离地球最近的恒星,是唯一可以详细研究表面结构的恒星。特别是太阳给地球带来光明和温暖,使我们这个星球充满生机,因而是近现代研究最多的恒星。

与地球相比,太阳是一个巨大的球体。太阳的质量是地球质量的33.34万倍。太阳的质量占了太阳系总质量的99.87%,它强大的引力控制着大小行星、彗星等天体的运动。太阳直径有139万千米,需要109个地球才能填满太阳的横截面。

太阳是一颗自己能发光发热的气体星球,不但辐射可见光,还不断辐射着其它波长的电磁波,包括γ射线、X射线、紫外线、红外线等。除了光和热,太阳也发散一种低密度的粒子流(多半为电子和质子)形成太阳风,以450千米/秒的速度在太阳系中传播。太阳风深深的影响着地球和其它行星,在地球上产生北极光,对无线电通讯造成影响,并使彗星产生了彗尾。

12.太阳系的形成和演化

关于太阳系的起源有多种学说,最主要的有两类:一类是星云说,认为太阳系是由一个旋转着的星云在收缩过程中逐渐形成的,18世纪的康德拉普拉斯学说就属于星云学说。另一类是各种灾变说,灾变说由于缺乏证据而逐渐被抛弃,20世纪中期以来兴起的新星云说则得到公认。

根据星云说,太阳系是由星际之间的气体和尘埃组成的星云收缩而形成的。太阳系的形成经历了三个阶段:

1)星云的压缩 约在50亿年前,银河系中存在一团云状的缓慢转动的弥漫星际气尘——“太阳星云,星云的质量是现在的太阳的1220倍。由于其它天体的引力扰动或邻近超新星爆发的冲击波,原太阳星云在自身的引力下开始坍塌收缩,开始收缩时的横宽约为2光年。

2)原太阳和星云盘的产生在收缩过程中,随着星云内部质点碰撞的次数和猛烈程度的增大,云团中心的密度不断增大,原太阳星云大量引力势能转化为热能,使星云内部温度不断升高。它较稠密的核心部分不断压缩,很快收缩成一个气体大球,先是坍缩为原始太阳,然后按照恒星演化历程,成为一颗主序星——这就是我们今天所见的太阳。周围旋转的尘粒和气体原子则绕着它公转,形成一个薄盘。由于气体有一定膨胀压力,而尘埃之间碰撞所引起的向外扩散却很小,摩擦碰撞使它们带静电而更容易聚积成团。

尘埃碰撞粘合成大颗粒,尘埃颗粒向星云盘的赤道面集中,进一步碰撞。这个过程不断进行,直到形成大团块,这些由自身引力维系的团块就被称为星子。星子有大有小,其典型尺度与小行星相仿,其中一部分成为今天的小行星和彗核,另一部分则继续碰撞合并。

3)行星的形成 这些星子中有些相互碰撞增大,成为行星的胚胎,称为行星胎,行星胎进一步吸积周围的物质最终成为行星。

从诞生至今,太阳系已经演化了约50亿年,太阳用去了内核中一半的氢原子,估计它仍将稳定地辐射50亿年左右。预计至100亿年,它的光亮度将是现在的一倍。至130亿年进入红巨星阶段。在其存在的最后阶段,太阳中的氦将转变成重元素,太阳的体积也将开始不断膨胀,太阳将变得比今天的太阳大100倍,光度增大,表面温度升高,那时它将处于极其不稳定状态,随着状态的变化终会将地球吞没。在经过1亿年的红巨星阶段后,它要将外壳的相当部分抛入宇宙中去而损失掉很多物质。最后几乎全部的剩余量集中在很小的区域,太阳将突然坍缩成一颗白矮星,到达其存在的最后阶段。再经历几万亿年,它将耗尽所有能量,最终完全冷却。

13.地球的圈层结构

以固体的地球表面为界,整个地球主要划分为外部圈层和内部圈层两大部分,即内三圈和外三圈。内三圈指固体地球内部的主要分层,由地表到地心依次分为地壳、地幔、地核;外三圈指地球外部离地表平均800千米以内的圈层,包括大气圈、水圈和生物圈。此外,在外部圈层之外,还存在着超外圈——磁层,起始于离地表600—1000千米,磁层顶在向太阳一侧为10.5个地球半径,在背向太阳一侧可延伸到几百至上千个地球半径。地球各圈层在分布上有一个显著的特点,即固体地球内部以及表面之上的高空基本上是上下平行分布的,而在地球表面附近各圈层,即内、外圈层相互接触处则是相互渗透甚至相互重叠的,其中生物圈表现最为显著,其次是水圈。这部分就被称为地球表层,是多圈层相互渗透彼此交织在一起的特殊圈层,也是与人类生存关系最为密切的地球部分。

14.地球的外部圈层是如何划分的?

地球的外部圈层(图5-3-2)与磁层及内部圈层之间并没有严格的界线,各圈层之间也没有明显的分界,特别在底层大气圈、水圈、生物圈相互交错。

1)大气圈 大气圈是地球外圈中最外部的气体圈层,存在于整个地球外层。大气圈是地球海陆表面到星际空间的过渡圈层,没有明显的上限,一直可以延续到800千米高度以上,只是越趋向外大气越少,在2000 16000 千米高空仍有稀薄的气体和基本粒子。它包围着海洋和陆地。地下土壤和某些岩石中也会有少量空气,它们也可认为是大气圈的一个组成部分。

大气圈对生物的形成、发育和保护有很大的作用。由于大气圈的存在,挡住住绝大多数飞向地球的陨石,拦截下太阳辐射中的大部分紫外线和来自宇宙的高能粒子流,保护了地球生命,免遭外来的打击。因此,大气圈是地球表面和生命的盾牌。

2)水圈 水圈是指连续包围地球表面的水层,包括海洋、江河、湖泊、沼泽、冰川和地下水等,它是一个连续但不很规则的圈层。既有液态水,也包括气态水和固态水。

从离地球数万千米的高空看地球,可以看到地球大气圈中水汽形成的白云和覆盖地球大部分的蓝色海洋,它使地球成为一颗蓝色的行星,又是一颗水球

水圈是地球特有的环境优势。水圈的运动和循环影响了地球上各种环境条件的变化,影响各个圈层,使地球处在不断地变换之中。更重要的是水对亿万种生命以及人类能在地球上生存和发展,具有决定性的意义。

3)生物圈 生物圈是太阳系所有行星中仅在地球上存在的一个独特圈层。生物圈是指地球表层生物有机体及其生存环境的总称,是一个有生命的特殊圈层。

生物圈是地球特有的圈层,它是地球大气、水和地壳长期演化、相互作用的结果,它又参与了对岩石、大气和水等其他圈层的改造,对地表物质的循环、能量转换和积聚具有特殊作用。

15.地球的内部圈层是如何划分的?

地球内部是无法直接观测到的。地球科学家使用地震的方法研究地球内部的结构与构成。根据地球物理的研究,地球内部是一个非均质体,各层物质的密度、压力、温度、物理状态和化学成分存在着明显差异。地球内部存在两个明显的地震波不连续界面,由此将地球内部分为地壳、地幔和地核三个同心圈层(图5-3-3)。其中地壳及地幔顶部是由坚硬的岩石所组成的,厚度约为70千米150千米,又称为岩石圈。

1)地壳 地壳是地球表面的一层薄壳。厚度不均匀,大陆地区平均厚度约35千米,最厚处可达70千米(如我国的青藏高原);海洋地区平均约7千米,最薄处仅4千米,地壳的体积为全地球体积1%,质量为全球质量的04%,密度是地球平均密度的12,为2729/厘米3。危害极大的大陆浅源地震,就是发生在地壳这一层内。

2)地幔 地幔介于地壳和地核之间。

在距地球表面以下平均深度60250千米处的上地幔上部有一层软流圈,它位于岩石圈之下,是一个明显的地震波的低速层,物质具有柔性。软流圈可能与地球表面的许多活动有密切的关系,它是岩浆的源地、地震和火山现象的根源,造成地幔对流、海底扩张和板块构造,形成有用的矿藏。

3)地核 地核指地球核心部分,半径约3400千米,质量和体积分别为全球的315%和16%,密度极高,边缘区为97/厘米3,地核中心则高13/厘米3,温度也随深度而上升,地核边缘的温度是3700,地心达到5500—6000。地核主要由高密度的铁镍合金组成。地核也被分为外核和内核两部分。

16. 地球圈层的形成过程?

46亿年前,原始地球诞生了。从形成之时起,地球一直在不断发展演变着。早期演化过程的基本运动形式是圈层分化运动,即重物质向地心和轻物质向地表的运动。原始地质圈层形成之后,地球仍处于不断变化之中,地球物质圈层分化继续进行,直到生命产生、人类诞生,出现了一系列极其复杂漫长的演化过程。这样地球由低级的、原始的地质圈层向现今的高级圈层的不断发展,成为地球最基本的地质演化内容。

地球圈层的这种发展演化过程,是一个有一定方向的不可逆的历史过程。但它的初期演变已无痕迹可见,只能通过天文学、地球物理学、地球化学、地质学等方面的综合研究来重现这一演变过程,其中影响最为深远的是整个地球分化成为同心圈层的变化,包括地球内部地核、地幔和地壳的形成和演变和大气圈、水圈的形成和演变,尤其重要的是生物圈的出现和演变。

1)地球内部圈层的形成和演变

原始地球从太阳星云分化出来以后,最初阶段各种物质是混杂在一起,并没有明显的分层现象。此时温度很低,各种不同物质以固态存在,它们不可能在重力作用下自由地升降。但是由于地球体积的逐渐变大,地球保存热能的能力就不断加强。随着地球内部放射性物质衰变产生的能量的大量积聚,地球温度逐渐升高。这样地球本身产生的热能就在地球内部积累起来,地球内部的温度逐渐升高。在地内温度逐渐升高的前提下,地内物质也就具有越来越高的可塑性甚至处于熔融状态,在地球重力作用下不可避免地发生圈层分化。这样当温度升高,地内物质的可塑性达到一定程度时,较重物质缓慢地下沉,同时较轻物质缓慢地上升。这就开始了地球的圈层分化。按化学组成的不同,分化而成地壳、地幔和地核。

2)大气圈和水圈的形成和演变

在原始地球的外部产生了大气圈和水圈。原先在地球内部的各种气体在地球分化过程中上升到地表,受地球引力作用集聚在地壳外围而成为原始大气圈。而原先以结晶水形式存在于地球内部的大量水随着地内温度的升高成为水蒸汽,通过火山活动进入大气层,最终以降雨的形式到达地面形成原始的水圈。

3)水圈的形成和演变

水圈中的水同样来自于地球内部。地球表面在原始地球形成初期并没有水的存在。地球上的水绝大部分以岩石中的结晶水的形式,存在于地球的内部。随着原始地球的变热,地内温度的升高,地球内部产生愈来愈多的水汽。这些水汽往往通过火山活动跑到地球的外部,出现在大气中,然后以雨滴的形式降落地面,并逐渐地形成海洋,出现原始的水圈。因此地表水圈中水的直接来源是大气,是大气中水汽的凝结物,但从根本上讲是来自地球内部,来自地下的岩石。

4)生物圈的形成和演变

当原始大气和原始水圈在地球上出现时,地球上仍是一个没有生命的世界。但大气、水和原始的地壳的出现为生命的诞生奠定了必要的基础。从无生命物质到生命的转化是一个极为缓馒的过程,生命是由无生命的物质转化来的。约35亿年前,原始生命产生于原始海洋之中。在太阳的紫外线、大气的电击雷鸣、地下的火山熔岩等作用下,原始大气中存在的甲烷、氨、水汽和氢转化成简单的有机物。大气中的有机物随降水进入海洋,同时地壳上的有机物和无机盐随地面径流进入海洋。它们在海水中发生频繁的接触和密切的联系。这样简单的有机物就逐渐发展成多分子的有机物,并且逐步变成能够不断自我更新、自我再生的物质,从而形成了原始的生命。

虽然35亿年以前原始生命就已经在海水中产生,但是在此后长达30亿年的时间里,生命始终局限在海水中。没有海水的保护,生命就难于避免强烈的太阳紫外线的伤害。在距今6亿年前,绿色植物开始在海洋中占优势,生物开始对地球自然环境的发展产生重大影响。

绿色植物的出现为生物登陆创造了前提条件,因为绿色植物在光合作用中所产生的游离氧的积累,终于导致大气中出现臭氧,并在高空中形成臭氧层。臭氧能够有效地吸收紫外线,因而对地面上的生物起保护作用。高空臭氧层的出现意味着陆上生物的生命有了保障。这样在距今4亿年前,绿色植物登陆成功,使生物从海洋登上陆地,陆地上出现了生物的大发展。生物的数量和种类开始了大幅度的增长,在陆地和海洋都出现了动植物的大繁荣,进而发展成为完善的地球生物圈,使地球的自然环境出现了大变化,发展成为地球的生物圈。至今110多万种动物和40多万种植物组成了瑰丽多采的生物世界。

生物圈形成以后,整个地球仍然在发展变化着。特别是大约300万年前,作为高等动物的人类的出现,开始了地球发展演化的新阶段,这是影响地球自然环境的重大飞跃。

17.什么是板块构造理论?

地球自从形成以来在地表和内部进行着永不停息的运动变化,地球表面形态特征正是地球的内外力综合作用的结果,其中内力是形成地球表面差异的重要原因。探讨地壳运动的产生原因,需要用大地构造理论加以解释。

板块构造说是20世纪60年代提出的一种新的全球构造学说,由于板块构造新理论的出现,地球科学取得了突破性进展,意义十分重大。目前板块构造说已经成为综合多学科成果的主要理论框架,成为现代流行的被普遍接受的最新理论形式。

20世纪60年代以来,海底扩张的现象已被证实,大陆漂移的假说也被普遍承认。1965年,科学家运用计算机使地球各个大陆以现有的形状恰好拼合在一起,并将海地地形、地震位置、火山等活跃部位都连接成为带状。

由此,人们设想,大陆漂移和海底扩张可能表现为若干岩石圈板块的相互运动。1968年,法国的勒皮雄(X.Lepichon)、美国的摩根(W. J. Morgan)和英国的麦肯齐(D. P. Mckenzie)等学者根据当时已经发现的诸多新的地质现象,把大陆漂移和海底扩张的概念发展成为著名的板块构造说。板块构造说提出后,又被许多科学家不断予以完善,很快得到了其他地学工作者的赞同。现代地球科学的发展,以板块构造说的建立为标志进入了革命时期。

1970年后,板块构造学说确立。板块构造学说的基本观点是:

1)岩石圈板块是在软流圈上滑动的

地球的最上层沿垂直方向可划分为物理性质截然不同的两层:坚硬的岩石圈和部分熔融的软流圈。全球岩石圈(包括地壳和上地幔一部分)不是一个整体,而是由相互运动着的若干刚性板块所构成的。每一个板块都在软流圈之上,岩石圈板块就在软流圈上滑动,大陆漂移实际上是板块运动的结果。这些板块在以每年1厘米10厘米的速度在移动。

2)地球的岩石圈划分为许多板块

岩石圈分为若干个板块,各个板块在不断移动相互挤压,而各个板块内部相对比较稳定。勒皮雄把全球岩石圈划分为6大板块(图5-3-7):欧亚板块、非洲板块、美洲板块、印度板块、南极板块和太平洋板块,它们决定了全球板块运动的特点。板块的分界不受海陆限制。岩石圈的厚度一般是70100千米,在洋中脊其厚度不足10千米

3)地球板块之间在相互运动

板块的内部比较稳定,板块之间则比较活动,板块相对移动而发生的彼此碰撞或张裂,形成了地球表面的基本面貌。

4)板块作用的驱动力是地幔对流作用

地幔对流体存在岩石圈之下,对流体上升的地区正是大洋的海岭,在对流体的作用下,海底岩石受力破裂,地幔物质上升到达顶部冷却凝结而形成海岭,以后继续上升的地幔物质从海岭顶部的巨大开裂处涌出,形成新的大洋地壳,又把早先形成的大洋地壳以每年几厘米的速度推向两边,使海底不断更新和扩张。

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