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1、第一编 地球的整体物理特征 这是本书的第一个层次，包括第一章至第四章，介绍地球的整体特征，即从地球起源、地球年龄、地球自转和地球形状四个方面，给读者一个有关地球整体的完整的时空概念。 第一章 地球的起源及其研究方法1 第一节 历史回顾和主要进展 地球起源问题，不仅是地球科学，而且是自然科学中一个基本理论问题。由于地球的长期演化，地球形成初期的痕迹现在已经看不到了。那么，怎么去重建几十亿年前的地球初期及其形成过程呢？人们只能从地球物理学、天文学、地球化学、地质学以及其他各个学科的有限观测中，运用已知的自然科学规律进行探索和研究。显然，问题的难度是很大的，而且看法并不统一。本章首先对各种地球起源学
2、说及其发展予以简略介绍，然后以我国戴文赛教授的新星云说为例，说明解决这一问题的思路和处理方法，最后作为地球起源的继续，补充一点有关演化的知识。第一节 历史回顾和主要进展一、历史回顾2因为地球是太阳系的成员之一，所以地球的起源和太阳系的起源基本上是一个问题。地球及太阳系起源问题的讨论，可以追溯到17世纪。1644年，法国哲学家和数学家笛卡尔（R.Descartes）在哲学原理中提出涡流学说。他认为，在宇宙的混沌中，物质微粒获得涡流运动，在旋涡流中形成了太阳、地球、行星和卫星。1745年，法国动物学家布峰（G.L.Buffon）提出第一个激变说。他认为，曾有一颗彗星撞到太阳上，撞出的一部分物质形成
3、了行星。以上笛卡尔和布峰的假说虽没有什么科学价值，但却给宗教势力很大震动，为自然科学从神学的桎梏下解放出来冲出一条生路，在地球起源问题上，也起到启蒙作用。第一个科学的太阳系起源假说是康德的星云说。1755年，康德31岁时匿名出版自然通史和天体论根据牛顿定律试论整个宇宙的结构及其力学起源（1972年中译本为宇宙发展史概论）一书，提出太阳系是由一个统一的系统渐渐地演化而成的，该书在当时并没能引起注意。1796年，法国赫赫有名的数学家和力学家拉普拉斯在宇宙体系论一书中，提出另一个星云说。由于拉普拉斯在学术上的声望，该书广为流传，人们这才想起41年前康德的书，重又再版。虽然康德和拉普拉斯两个星云说有许
4、多不同点，但他们的主要观点相似，即都认为整个太阳系是由同一个原始星云渐渐演化而成。在此后半个多世纪里，人们普遍赞同星云说。但是，星云说在当时不能解释如角动量特殊分布的观测事实。在这种情况下，又出现一系列新的假说。由于星云说属于渐变说，那么，这种新的假说被称为激变说。在19世纪到20世纪40年代，是各种激变说盛行时期。著名的激变说有：1878年，新西兰天文学家毕克顿（A.W Bickerton）认为，两颗恒星碰撞产生类似新星的爆炸，抛出的物质形成行星；英国的靳斯（J.K.Jeans）提出风靡一时的“潮汐说”，他认为有一颗恒星从太阳近旁一掠而过，使太阳涨出了隆起的潮，分离出物质形成行星；杰弗瑞斯的
5、“碰撞说”，更认为是另一颗恒星擦边碰了太阳，才形成行星；罗素（H.Russell）、里特顿（R.A.Lyttleton）和干恩（R.Gurne）的“双星说”，认为太阳原来是双星，因受第三颗恒星作用而抛出物质，形成行星；匈牙利的艾估艾得（L.Egyed）提出“分出说”，认为万有引力常数随时间减少，使得太阳将分几次抛出物质。虽然这些激变说阐述的激变方式不同，但是都承认形成地球等行星的物质是从太阳分离出来的。然而，从太阳分出的炽热物质容易扩散，不会聚成行星。因此，这些激变说又从根本上遇到了困难。任何假说都是为解释观测事实而提出的。当经典的渐变说和激变说相继碰壁之后，人们才意识到，建立起源假说的观测事
6、实仅仅靠太阳系的天文学观测现象是不够的，还应对我们人类定居的地球以及卫星的物理性质和化学性质，认真给予应有重视。实际上，在地球和月球上存在着极重要的建立地球起源学说的线索。地球化学研究工作表明，在地球里存在着大量的碳、氮、氧三种元素，在高温下容易挥发的硫、汞、砷、镉、锌并不富集在地球表面，而地面的岩石成分和性质也都表明地球从未完全熔化过。因此，从化学观点看，地球更可能由低温的固体积聚而成，而不是由高温气体和熔融液体凝固而成。在月球表面有比地球上最高峰珠峰还要高的山，要长时间承担这样的大的压力，内部岩石的强度必须很大。这个现象也表明，月球和地球一样，也有一个低温的起源。因此，经典的高温起源观点值
7、得怀疑。从20世纪40年代起，许多人都从高温气体凝固观点转入低温固体积聚观点。这里著名的有：1944年，苏联地球物理学家施密特（. . ）提出“俘获说”，认为当太阳通过一个暗星云时，俘获了它的部分物质，形成绕太阳转动的星云盘，在盘中的质点频繁碰撞，结合成较大的凝结物流星体（陨星），陨星碰撞结合成行星和卫星；同一年，德国的物理学家魏扎克（C.E.Von Weizsacker）提出“旋涡说”，认为太阳形成后，被一个气体尘埃云环绕着，因转动云环变扁，盘中出现湍流，形成旋涡的规则排列，并且在相邻两环之间的次级涡流里形成行星。在上述的“俘获说”或“旋涡说”中，行星的物质来源不再是太阳分出来的高温气态物质
8、，而是尘埃云。在地球起源学说的研究中，最困难的问题依然是角动量问题。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。在太阳系里，太阳的质量约为行星总质量的750倍，占全系统的99%以上，但它的角动量却只有全系统的2%，因为行星的质量虽小，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。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一来源，就必须找出一个使角动量重新分布的物理过程。最明显的能使角动量转移的物理过程，就是磁场对于带电粒子的作用。从1942年以来，瑞典磁流体学家阿尔芬特别注意太阳系起源的电磁作用，提出了“电磁说”，他提出用磁耦合机制说
9、明角动量的特殊分布。1962年，法国天文学家沙兹曼（E.Schatzman）提出太阳演化早期抛射带电粒子，并在太阳磁场作用下运动的学说。1962年，霍伊尔（F.Hoyle）从经典的星云假说出发，考虑星际空间的磁场作用，定量地计算了太阳和行星的角动量，从而有效地解释了太阳系特殊的角动量问题。霍伊尔的假说其要点是3：假定太阳系开始是一团凝缩的低温星云，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，由于流动力学作用，它的转动就达到失稳状态，两极渐扁，赤道凸起，并发展成一个尖税的边缘。星云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1%）。中心体与圆盘脱离后，前者继续收缩，形成
10、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，太阳与圆盘的内缘就发生一种电磁流体力学的作用而产生一种磁致力矩。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，可以使它的角速度变化不大。这样就解决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0.3T，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，不易挥发的物质先凝成固体。这些固体被气体带动，在圆盘扩展过程中，直径小的固体被气体推向前去，而直径大的固体被抛在后面，它们以后各自形成内行星和外行星。这就是霍氏假说
11、的概貌。问题似乎完全解决了。其实不然，正如傅承义教授所说，霍伊尔的假说“只是在大体轮廓上为人们所接受，还远远不是确定的。”4傅承义的这段评价，不仅适用于霍伊尔假说，笔者认为，它也适用于对地球起源问题研究现状的评价。为了使这一问题的“轮廓”逐渐变得明朗，为了使这一问题的某些“不确定”因素逐步得以解决，地球物理学应该与地球化学、天文学等学科更进一步结合起来。二、主要进展从上面的历史回顾中不难看出，地球起源问题的研究总是在两种对立观点的交锋中得到发展的。例如，形成过程是渐变还是激变，物质来源是高温气体还是低温固体，作用力完全是机械力（重力和热力）还是兼有电磁力等等。这些对立观点的发展和解决，主要靠新
12、的观测事实（如月球探测）和新的物理定律（如磁流体力学）的推动。星际航行以来，天体物理学家发展迅速，地球和太阳系起源的有关资料大量增加。地球和太阳系起源问题的研究，从一般的定性假说向定量分析发展，从探讨个别问题进入到对大量资料作全面、系统的综合研究的新时期。目前虽然没有出现一个统一的地球起源学说，但在以下几个方面取得了一致意见：(1) 稳定性问题。地球起源假说首先要解释的观测事实是行星的轨道分布。由天体力学得知，大行星轨道20亿年以来一直没有很大变化；相反，小天体（小行星、彗星、流星体）轨道则变化显著。(2) 年龄问题。由恒星起源和演化得出，太阳是约50亿年前由星际云瓦解出来的一块原始星云塌缩形
13、成的。由太阳系的同位素丰度得出，这些元素在50亿58亿年前形成。从地球和月球的古老岩石的放射性分析得出，它们约在46亿年前形成（见本书第二章）。因此，太阳系应在距今46亿50亿年前形成。(3) 地质变化问题。大行星发生过像地球史所显示的那样的地质变化，因此行星的现状与它形成时不同；另一方面，小天体形成以来变化小，它们较多地保留了形成时的信息，因此近年来特别注意小天体的研究，其中陨石研究表明，它形成时的温度为400500K，形成时间为106107年。(4) 化学组成问题。碳质陨石的重元素相对丰度与太阳大气相同，木星的化学组成与太阳相同，这些都支持同源形成说（及渐变观点），而不利于多源形成说（及激
14、变观点）。当然，有些陨石存在同位素异常，表明原始星云中可能有小于2%的外来组成。各行星的组成，最初是均一的，由于化学分馏，才导致各行星组成的差异。(5) 陨石坑问题。月球、水星和火星上的大多数凹坑，是39亿年前陨石撞击形成的（在木星和土星的卫星上也有许多撞击坑），这些都支持星子集聚成行星的观点。(6) 形成的物理过程问题。角动量分布问题已表明，仅靠动力学过程的研究是不够的，还要考虑原子的、电磁的、等离子体的和化学的过程。沙兹曼电磁机制只是其中的一种可能解释。关于地球和太阳系起源的假说，虽然“诸子百家”，众说纷云，认为地球有不同的物质来源以及不同的形成方式，但是这些假说在上述六个方面基本是一致的
15、。近年来比较流行的星云假说其主要观点是：原始太阳星云来自大星际云瓦解的一块小云。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，中心部分形成太阳，外部扁化为星云盘。星云盘中含有气本、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。但是，关于原始星云的具体物理化学情况及行星的形成过程，各学说有不同的看法，明显地分为两大学派。一派以美国卡米隆（Cameron）为代表，认为原始星云有吸积和散失过程，形成大质量的星云盘（共约两个太阳现质量），星云盘不稳定而瓦解为巨大气体原行星。原地球的凝降物向中心沉降形成核，外部气体被太阳潮汐撕掉，留下内部凝聚核成为地球。另一派认为原始星云质量较小（小于1.3倍现太阳质量），主要有日本的林忠四郎（Hayaohi）、前苏联的萨弗隆诺夫（Ca）、澳大利亚的普伦蒂斯（Prontice）和我国的戴文赛等提出假说。第二节 戴文赛的新星云假说戴文赛先生（19111979），天文学家，福建人，生前任南京大学天文系教授、主任。天体演化是他的研究方向，特别着重于太阳系起源问题。他在分析和评价国外和多种
