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1700874232 木星的直径为地球直径的11倍左右,质量是地球的300多倍。天文学家认为,由于木星体积非常大,其引力使木星与火星之间再没有形成一颗行星——木星的引力会将一颗正在形成的行星拆散。今天,木星和火星之间没有行星,而是有一圈大块的物质(小行星)绕太阳公转,叫作“小行星带”。这些小行星会互相撞击,有时某一颗会被撞出轨道。它有可能到达地球,那样的话我们会看到它在地球的上层大气中燃烧,形成所谓的“流星”。冥王星轨道之外,存在更多早期太阳系的残余——柯伊伯带(Kuiper Belt)和叫作奥尔特云(Oort Cloud)的大量彗星。
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1700874234 就这样,太阳和太阳系的行星形成了。所有的行星都在同一平面绕太阳公转,这是一个无形的平面,就像一张旧唱片一样。所有行星都在距离太阳不同的地方沿同一个方向公转。我们之前了解到,星系形成时,空间中的一大片气体和粒子云团倾向于形成旋转的圆盘,中心会有个凸起。而在形成太阳系的云团中,有极少部分物质没有落入中心的团块,而是形成了太阳系的八大行星。
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1700874236 地球早期的历史
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1700874238 地球是距离太阳第三远的岩态行星。直径是水星的3倍,比金星稍大,体积是火星的2倍。水星、金星和火星是另外3颗岩态行星。
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1700874240 与其他行星一样,地球在形成过程中,也在不断进行物质的“吸积”。地球开始形成约1亿年后,另一颗刚刚形成的“原行星”(地球体积的1/4或一半)与地球发生了碰撞。根据地质学家提出的理论,这颗原行星擦过地球,撞掉了地球的一大块。引力将撞击下来的大部分物质聚集起来,使其绕地球旋转,形成了月球。最初,月球轨道离地球较近,但后来逐渐远离,一年大约远离5厘米(2英寸)。
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1700874242 造就月球的那次撞击,有人也称其为“大巴掌”,把地球垂直的自转轴也给撞歪了。之后,地球的自转轴不再垂直于太阳系平面,而是倾斜了23°。正是自转轴的倾斜,才造成了地球上的四季交替。
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1700874244 随着地球体积开始增大,温度也开始升高(但不会高得像恒星那样发生氢聚变)。升温现象的出现源于多个原因。首先,与其他物质团块撞击产生高温。其次,在引力作用下,地球体积不断增大,落下来的团块的引力势能转化成热量。最后,地球包含大量放射性元素。放射性元素衰变时也会释放热量。本章前面已经提过,太阳系形成前不久,发生过超新星爆发,地球上的放射性元素即由此而来。
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1700874246 随着地球温度升高,内部熔化,元素因密度不同自行分类,地质学家称这一过程为“化学分化”。(没错,我们讨论的学科又发生了变化,自天文学、物理学和化学之后,这次又转到了地质学。)地球发生熔融后,像铁和镍等重元素,沉入了地球中心,较轻的元素待在中间,而最轻的元素则上升到地球表面。
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1700874248 地质学家将地球历史的前6亿年(46亿~40亿年前)称为“冥古代”(Hadean Eon)。这个名字源于希腊语的“冥府”(Hades),古希腊人死后灵魂就存在于这个地方。而用Eon这个词,是因为基督徒将这个希腊语单词看作与基督教所说的“地狱”同义。
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1700874250 最初,地球自转速度很快,自转一周仅需8小时左右。到了大约40亿年前,由于月球和太阳起到了“刹车”的功能,地球自转的速度放缓,自转一周延长到15小时。当时的太阳比现在暗淡,其光度仅为目前的25%~30%左右。如果当时有人类存在的话,透过满是二氧化碳的空气看过去,天空会呈现一片红色。小行星依然频繁撞击地球,但是频率降了下来。地球表面所有水分都蒸发了,形成弥补的云层。炽热的地表上,火山不停地喷出岩浆——真是我们想象中的地狱般的存在。
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1700874252 经过很长时间,辐射和小行星撞击不断减少,地球温度慢慢冷却下来。随着地球温度下降,水蒸气变成温暖的液体降到地面,这雨一下就是几百万年。那这些水最初又是从何而来呢?很大一部分来自最初撞击在一起并形成地球的物质团块。后来,又有大量彗星撞击地球,而彗星大部分由冰组成,给地球带来了更多的水。
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1700874254 至少在38亿年前,地球已经足够冷却,得以形成海洋。海洋吸收了空气中大量的二氧化碳,使天空呈现蓝色。某个大陆地壳开始形成。2010年,在澳大利亚西部发现了一颗锆石晶体,经测定有44亿年的历史,是已知的地球上最古老的物质。在加拿大、澳大利亚、南非和格陵兰岛,已发现有38亿年历史的岩石。据估计,30亿年前,今天地壳的65%已经形成。人们认为,20亿年前,板块构造活动剧烈。
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1700874256 至少在35亿年前,地球已经具备了使生命有可能出现的不同寻常的特点。或许,其中关键的特点就是地球与太阳的距离:这个距离恰好能使水以液体的形式存在于地球表面。假如地球距太阳太近,地球表面的水就会蒸发为气体;假如地球距太阳太远,地球表面的水就会凝结成冰。
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1700874258 分层结构是地球的另一个关键特点。地球中心是由铁和镍构成的固体内核,虽然高温使其呈现液态,但引力带来的巨大压力,又使其表现得像固态。流动的液态铁和镍构成的外核产生了地球的“磁场”。再往上一层是地幔,虽为固体,但在更长的时间尺度里,却是流动的,会带着陆地移动。陆地下方缓慢流动的地幔,其深度大约能达到650千米(约404英里),再往上就是大陆地壳,平均深度为35千米(22英里)。海洋深约5千米(3英里),海底下方的地壳深度约为5千米(3英里),地壳下方就是地幔了。最后一点,是地球有一层围绕在其外部的薄薄的大气。引力让大气层能够保留下来,把我们与外太空隔开。
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1700874260 地球的分层结构对生命来说非常关键。上文提到,由于流动的熔融的铁产生电流,因此液态外核产生了磁场。磁场保护地球表面的生物免受宇宙射线(高能质子和原子核)的伤害。
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1700874262 地幔底部的温度要比顶部高。底部的热量传导到顶部,就像在锅里熬豌豆汤一样,虽未沸腾,但却会慢慢翻滚。由于板块浮在上地幔之上,这使得板块活动起来。在某些板块的交界处,一个板块会俯冲进入另一个板块下方,重新变成地幔。地球表面的大部分物质就是这样不断循环再造。这个周期大约需要5亿年。
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1700874264 地球的大小也是使生命有可能出现的关键特性。假如地球再小些,其引力就无法留住大气或地球表面的液态水,而这两者对生命来说都是至关重要的;假如地球再大些,其引力就会把陆地上的绝大部分生物压扁。
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1700874266 此外,地轴倾斜也是生命产生的关键因素。在地球绕太阳公转的轨道中,有一部分北半球朝太阳方向倾斜,另一部分北半球偏离太阳。太阳照射地球角度的变化使得到达地球的热量发生变化。地球自转轴并不改变,变的是地球在轨道上的位置。(嗯,地轴的倾斜角度实际上会有微小变化,见下文。)
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1700874268 朝太阳倾斜的半球接收更多直接来自太阳的辐射,也就获得了更多热量,我们称这个季节为夏季。当我们所在的半球偏离太阳时,冬季就来了。南半球的季节与北半球相反。赤道附近的热带季节变化不明显。
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1700874273 地球的内部结构
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1700874275 图中显示了地球内部的液态流动。地壳外部扭动的线条代表的是火山。
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1700874277 太阳的热量到底有多少到达了地球呢?这是个相当复杂的问题。从大的时间跨度来说,并不稳定,也不始终如一。地球的轨道(与太阳之间的距离)有所变化,另外地轴也会发生摇摆,此外倾角也会稍微发生变化。
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