宇宙、地球和生命的进化:时间的1000个-第7部分

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　　除类木行星之外，据推测仅能形成主要由凝冻的甲烷、氨气、水和二氧化碳的混合物构成的小型天体。这些小型天体围绕着太阳在各自的轨道上运动，一般都位于海王星和冥王星的轨道之外。按照这个假说，这种由冷凝混合物组成的小型天体，有的偶然在其轨道上受到扰动，就会深入到太阳系的内部，这时它便被太阳加热，从而形成了使天文学家惊异不止的壮丽彗星。　

　　2．行星起源　

　　行星共性起源　

　　人们很早就注意到太阳系天体的很多明显的共性，这些共性对于我们认识太阳系的历史有特别重要的意义。所有的行星基本上都在一个共同的平面上，像一个巨大的铁饼，这在天文学上叫作轨道共面性；根据观测，所有行星的运行轨道都是一个椭圆，但是有一个很有意思的特点，所有这些椭圆都不是特别扁，而是更接近正圆形，这在天文学上叫作轨道近圆性；行星的自转（自身的转动）、公转（围绕太阳的转动）的方向一般说都是一致的（金星反向自转），自转和公转围绕的轴心大致都是平行的，也就是说基本上所有的行星都朝同一个方向转动并且转动面都平行，这在天文学上叫作自转、公转同向性。另外，构成这些行星的基本元素几乎是相同的。　

　　行星为什么有这样鲜明的公共规律性呢？这说明它们肯定有着共同的起源。它们就是由最初那个太阳星云变化而来的。星云物质是一些基本微粒，由于引力的作用，密度大的微粒吸引密度小的，成为一些团块；这些团块的周围微粒又陆续被吸引到团块上，团块逐渐增大，最后，最大的团块形成了太阳，其他团块形成了行星。　

第29节：二、太阳系形成（7）


　　当微粒被吸引向中心团块的时候，有一种斥力使下落运动发生偏转，变成了绕团块的运动，这样中心团块就变成一个巨大的旋转的铁饼。在这个铁饼里，微粒在互相冲撞的运动中自然达到一个平衡状态，这样就造成了行星彼此同向平行的运动。而在形成行星的团块绕太阳运转时，跟在它后面的微粒受它吸引而加速，从团块的外侧落到它的上面，这样就产生了一种推动力使它自转，并且使行星的自转和公转方向一致。　

　　这种星云的旋转和离心力使得星云变扁，这恰好说明了行星的共面性、近圆性、同向性是自然运动的结果。　

　　行星密度分布有一个显著的特点，就是离太阳越远的行星密度越小。这是因为离太阳越近，星云的温度就越高，这样只有比较重的物质才能凝固起来，所以在这里形成的行星密度大；而离太阳越远，温度越低，比较轻的物质才可以凝固，因而在这里形成的行星密度小。所以太阳系行星从总体分布上呈现出密度从里向外逐渐减小的特征。　

　　行星物质起源　行星的物质起源是一个化学上的课题。我们知道中心太阳凝聚时，它的周围有一个在太阳收缩期间从太阳里抛出来的尘气圆盘，尘埃粒子在互相靠近和吸引积聚并形成行星以前，会朝黄道面分离开来。天文学上称其为母尘气云，就是行星最开始的尘埃团体。完全有理由认为母尘气云混合得很好并且在化学上是同质的，即这些母尘气云在化学性质上应该是非常相似的。　

　　关于这种云的化学组成的证据有好几个来源，而且是相互一致的。这些证据包括目前太阳系中最原始而尚未变质的陨石（例如一些碳质球粒陨石，请记住这种可能代表行星最原始物质的陨石，它将为行星演化提供非常重要的证据）中的元素丰度（各种元素所占的比重或者比例）的测定，以及以核合成过程和核素分类学等为依据的论据。为方便起见，把原始尘埃中的元素分成三大类：〃气〃、〃冰〃和〃岩石〃，这是这些元素在相当低的温度下形成的。科学研究表明，〃气〃（主要是氢和氨的成分）占主要优势。在类地行星形成期间，这些气体几乎全部丢失了，在外行星中间也丢失了很多。所以有理由相信，最初的行星星云应该比现在存在的行星大许多倍。　

　　现在需要关注一下铁在行星演化中的重要作用。我们知道，铁在120℃以下如果暴露在氧气环境下，会氧化形成氧化铁和磁铁，而如果高于这个温度，则磁铁会被还原成金属铁。一个简单的实验就可以证明这点，用火焰烧烤一块磁铁会很快使它失去磁性。　

　　在原始的太阳星云里，由于所处的宇宙的低温环境，所有的铁最初都以氧化态存在。但是我们已经知道，地球、月球、陨石以及金星和水星全都含有金属铁，由此可得出结论：在尘埃吸积形成行星之前或是与此同时，氧化的铁被部分地还原成了金属铁。现在回顾一下那些原始的碳质球粒陨石，也许同太阳星云里的原始尘埃颗粒密切相关。科学研究发现，这种陨石里所有的铁都是被氧化的。仔细的化学分析还表明，碳质球粒陨石在相当大的程度上保留了大多数元素的原始丰度，除了那些高度挥发性的元素以外。它们经历了非常简单的化学和热的历史，而且在被吸积进母体后，不曾被加热到100℃以上。现在有相当多的证据支持对这些都是极其原始的物体的看法，它们为鉴定行星形成理论提供了重要的证据。碳质球粒陨石的明显特点之一是它含有大量碳质物质，包括许多种复杂的有机化合物。许多星际分子同在这些陨石里找到的化合物是密切相关的。当主要由一氧化碳和氢所组成的混合气体在有硅酸盐氧化物作为催化剂的情况下冷却时，不是生成了热力学上稳定的甲烷，而是在这些条件下很容易产生大量亚稳态的复杂有机化合物，倘若非常快地冷下来，这些化合物也许就可以长久地保留下来。　

第30节：二、太阳系形成（8）


　　天文学家们还研究了行星的平均密度，发现它们的变动范围很大。这种变动一部分是由于在行星自己的重力场里由不同的自身压缩所造成，但也可看出，即使消除了这些效应，在某一共同的平均压力下，行星的密度仍将有很大的不同。密度的这些差别，意味着行星的化学成分也有相应的差别。天体化学的基本问题之一，就是试图说明化学上形成这些差别的性质和原因。解决了这个问题，将有助于弄清楚行星形成的化学过程。　

　　天体化学家们首先考察的是外行星（类木行星）与内行星（类地行星）的比较，后者的密度大于前者。这是由于外行星主要由〃气体〃和〃冰〃组成，而内行星则大部分由〃岩石〃成分组成的结果。一般说来，根据母星云中的温度分布就可以理解这一点。在类地行星区域里温度相当高（在0℃以上），以致〃冰〃也不凝聚，因此，这些行星由非挥发性的〃岩石〃成分所组成。在外行星区域里温度相当低，使冰能够凝聚，被吸积形成相当于几个地球质量的大的行星核。以木星和土星来说，这些行星核的重力场强大到足以吸进气态的氢和氦，所以这些行星更接近于太阳的组成。天王星和海王星也被积聚成大行星，主要由冰组成，但不像木星和土星那样吸进那么多的氢和氦。就类地行星而言，当减到一个共同压力时，密度还是有很大差别，这表明类地行星在化学组成上也有很大差别。这些行星是从星云的相对不挥发的〃岩石〃成分所形成的，可是星云一开始的时候在化学成分上是匀质的，后来这部分相对不挥发的物质是怎样分化的呢？　根据远距离对各个行星的观测结果，可以认为大多数行星都有的铁、硅、镁、钙、铝等金属的相对丰度是相同的，太阳和原始球粒陨石里的这些元素的丰度也是一样的。大多数类地行星之间密度差别的起因，不是相对的金属丰度的变动，而是行星里氧的量的变动，也就是氧化还原状态的变动。　

　　怎么会造成氧化还原状态的这些变动呢？在一个冷的太阳星云里，尘埃颗粒在很多方面都像上面那个碳质球粒陨石的物质，这种陨石含有被氧化了的铁和复杂的含碳化合物。吸积了这种物质的原始行星，在吸积期间发生了自动还原作用，就像高炉炼铁那样，碳同氧化铁反应产生了金属铁，这样就直接形成了行星。由于能源不同以及运动条件的制约，所有行星都不会以同等程度进行还原过程。氧化还原状态的变动能够造成行星间密度的差别，在这点上，处于完全氧化态的原始碳质球粒陨石物质，当氧化态的镍和铁被还原成金属时，由于系统里失去了氧，密度就增大了；当铁完全被还原时，行星密度将增高很多。进一步还原时，硅酸盐分解成元素硅并与金属铁结合成为硅铁；当硅酸盐被还原时，密度增大得更快了；当原始行星里硅总量的40％被还原时，相当于20％的硅参与形成硅铁。　

第31节：二、太阳系形成（9）


　　有了上面这些理论的支持，就可以细致地描述行星形成的过程。原始母星尘由于引力作用下落到生长中的行星核上时，主要以热能形式释放出引力势能。对地球来说，在吸积期间耗散的引力势能将越来越大。所以在行星吸积的早期阶段里涉及的能量很小，吸积相当缓慢。温度当然是低的，并被挥发物的汽化潜热所缓冲。挥发物主要是在星尘碰撞行星核表面时所排放出的水和甲烷。在这个阶段里，形成了一种冷的、氧化了的原始物质的核。当核的质量增大时，星尘下落的能量变得足以在碰撞时引起高温，使氧化的铁被碳所还原从而形成金属铁。伴随发生的是排放气体形成原始大气，主要是一氧化碳和氢。随着进一步生长，温度和还原的强度都增加了，在高温还原条件下比较容易挥发的金属（如钠、钾、铷、铅、锌、汞、铟和铊）挥发进入原始大气。　

　　根据上面描述的过程来看，地球是〃从里到外〃发育的。有一个含有某些挥发物的冷而氧化了的地核，越靠近地表面渐渐地越被还原，含的金属越多。这是一种引力尚不稳定的状态。在靠近地表面发生熔融时，金属分离形成团块，沉入下面，而且在地球内部流动进入地核。因此，地核形成过程是：不稳定的引力能的释放产生热，使地幔的有效〃黏滞性〃指数随温度升高而下降，从而相应地加快了各种纯粹金属（例如铁）的分离和进入地核的速度。结果是地球平均温度迅速升高到将近2000℃，使得各处都出现部分熔融和硅酸盐，它们从地幔外层汽化进入大气，在原来是冷的地核里氧化的铁和挥发物在非平衡条件下渗入地下，以后被铁下沉所驱动的对流作用搞得均匀了。这个过程的最终结果是产生一个大质量的、热的原始大气层，它的质量相当于地球质量的四分之一，主要由一氧化碳、氢气和已挥发的硅酸盐所组成。　

　　直到吸积结束后，这种大气在漫长的时间内从地球那里逸散一空。现在的大气和水圈（包括岩石里捕获了的挥发物），主要成分是水、二氧化碳和氮气，这些都是在以后阶段里从地球内部排放出来的。　

第32节：一、地球演义（1）


　　第三章　地球演义

　　一、地球演义　

　　地球的形成就像一部长篇历史小说，我们不妨称这部小说为《地球演义》。一部宏大的长篇小说需要分卷立册，卷、册之内又分章、回，使人读起来章回有序，前后衔接。同样，一部史书，也都要分朝划代，人们读后，人事清楚，前后贯通。那么，漫长的地质历史是不是也要分一分〃章回〃，划一划〃朝代〃呢？当然需要。可是，古时候人们的地质知识有限，只知道从山里挖出一些矿石和煤炭来冶铜炼铁，至于这些东西是何时形成的则很少去考虑。有时候人们在石头或煤层中发现一些古生物的化石，却也只能做一些猜测。什么地质历史，那时很少有人去注意和研究它。　

　　1．地球断代　

　　在人类开矿山、挖煤炭、修铁路的过程中，一些地质勘察队和地形测量队等深入到深山老林里勘测。18世纪初，英国一位名叫史密斯的年轻人在测量队里当〃标杆工〃，他每天扛着标杆在山上跑来跑去。这类工作确实单调无趣，可史密斯却是一个很有心的人，一有空闲就琢磨山上各种各样的石头。不久，史密斯担任了开挖运河的测量工作，使他有机会在新开运河的两岸清楚地看到了上下相叠的地层，它们的颜色、厚度和成分大不相同。他联想到仓库里在存放货物时，先搬进来的货物总是放在下面，而后搬进来的必须垒在上面。同样的道理，这些地层在形成过程中，底层的肯定先形成，年代要久远，而上层的必然后形成，年代要近。这就是后来地质学称为的〃地层层序规律〃。史密斯又根据自己的观察提出了一个很重要的推论：在下边古老的地层中，只能找到比较低等的古代生物化石，而上部较新的地层里，则含有比较高等的古代生物化石，并且每一地层都有它特有的化石。大多数情况下，依据这些化石就能够确定不同地点的地层是不是在同期形成的。史密斯的这个发现便是地质学所称的〃化石层序律〃。1799年，30岁的史密斯完成了世界上第一张最有系统的地层表…英国沉积地层表。　

　　2．地球断代表　

　　只用史密斯的方法去给复杂而漫长的地史分朝划代，研究早已逝去的〃亘古世界〃，显然是不够的。于是又有地质学家指出：今天是了解过去的钥匙。如果概括为四个字的话，就叫〃将今论古〃。也就是说，从今天的已知去推论古代的未知。举例来说，在今日的大海里生存着一些海生动物，而且每种海生动物对生活环境的要求，例如水深、温度和光线等，是各不相同的。如果我们在太行山的某一地层内找到了与现代类同的海生生物化石，毫无疑问就可以断定，在那久远的过去，这里必定是一片汪洋大海，并可以推断出当时海洋的一些基本情况。　

　　另外，随着古生物学的发展，人们认识到地质历史的动植物不仅是由低级向高级逐渐演化的，而且这一过程既有阶段同时又是不可逆的。一定种属的生物群总是埋藏在一定时代的地层里。换句话说就是，在相同地质年代的地层中，