01  地球的起源

我们是由星尘构成的。在137亿年前的宇宙大爆炸期间产生了原始的氢和氦,它们经过无数代恒星的核反应生成了构成我们身体的碳、氧和氮元素,还有硅、铝、镁、铁等构成地球的元素。

星尘的记忆 恒星不断剥离外层物质,直至走向生命的尽头。大质量恒星因无法承受自身的重量而坍缩,从而引发超新星爆炸,它们的灰烬散落成由尘埃和分子构成的云团。我们的太阳系就诞生于这样的云团。你身体中的每个分子都包含了恒星反应生成的元素,而你手上所戴金戒指中的每个原子也都产生于超新星爆炸。

在古老的陨石中出现短寿命放射性同位素的衰变产物,这表明它们是在太阳系形成不久之前诞生于附近的超新星爆炸。可能正是这样的一场爆炸引发了太阳星云的首次坍缩。

吸积 当气体和尘埃被吸引到最终会形成太阳的中心天体处时,星云匀速旋转的角动量会使被吸积的物质形成盘状。这一观点在很长一段时期内只停留在理论层面,但在高倍望远镜出现后,人们目睹了这一现象发生在其他恒星诞生区。例如,绘架座 β 星四周明显的尘埃和岩粒吸积盘现在就能够成为行星。在其他成百上千颗恒星周围探测到的所谓“太阳系外行星”表明,恒星的诞生常常伴有行星的形成。

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抓一颗流星

太阳星云中最早形成的坚硬岩粒是陨石球粒。它们多为粒状体硅酸盐岩石,直径在零点几毫米到 1 厘米不等。当硅酸盐尘粒因为靠近新生的太阳或被辐射,温度达到 1500℃时,就会形成熔滴状的陨石球粒。今天地球上 80% 的陨石中都有陨石球粒,而且它们生成的时间可以精确地推算出来。有着 45.67 亿岁高龄(误差为 50 万年)的陨石球粒是太阳系中最古老的物质。

人们普遍认为太阳系中的行星是细小岩粒在吸积过程中相互撞击、聚集而成。这一过程的开始阶段最难理解,因为此时几乎没有凝聚岩粒团的引力,而且冲撞还会将它们再次打散。也许,岩粒的汇集就好比运动中的液体,它们凝聚在一起并且只能偶尔获得充足的能量“飞离”星团。倘若岩粒的相对速度足够缓慢,它们就又能够重新黏着在一起。当它们的直径达到好几米时,引力就会俘获越来越多的物质。

分离 引力势能、放射性衰变的热能以及碰撞所释放的能量会导致星团熔化,让铁、镍等最重的元素沉淀,形成一个直径约为几十或几百千米的球状天体的内核。这个天体还会继续吸引尘埃和较大的碎片,使之形成一定数量的体积较小的原行星。原行星之间碰撞的频率会降低,但是冲量会变大。

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恒星的炼金术

恒星都是核熔炉。它们就像氢弹一样,将宇宙中最多的元素(氢和氦)转变成重元素,并在此过程中释放出使自己发光的能量。普通恒星会产生碳、氮和氧等生命元素,以及其他构成地球的成分,如纳、钾、钙、铝和硅。恒星在逐渐消亡的过程中会向太空中释放这些元素。有些恒星释放出太多碳元素以致自己被烟灰云笼罩,最终形成铁元素。产生重元素所需要的能量比恒星释放的能量多得多。因此,当一颗大质量恒星的中心变成铁核时,核聚变就会停止。这时的恒星已经无法承受自身巨大的质量而发生坍缩,引发惊人的爆炸,使得恒星向四周喷散,产生丰富的重元素。铀元素正是这样产生的。

太阳风 太阳的形成可能仅用了 1 万年的时间,它俘获了足够多的星际物质,达到了核聚变发生以及太阳发光所需的温度。因此年轻的太阳吹出一股强劲的粒子流,形成了太阳风。此后,太阳夺走地球早期大气层中的氢和氦 ,只留下比较“顽固”的岩石,而它继续吸积到的大量气体形成了木星和土星这两个巨大的气体行星。挥发性物质,如甲烷和水,则进一步凝结成外太阳系的冰态天体:冥王星之类的矮行星、覆冰卫星、柯伊伯带天体以及彗星。

一颗新的行星 年轻的地球继续生长。至此,其内部也许已经基本熔化,呈原始硅酸盐地幔包围铁核的状态。当它的质量增长到今天的40% 后,在引力的作用下大气层得以存在,而地核所产生的磁场能够保护大气层免受太阳粒子的破坏。最初的大气可能主要是由氮、二氧化碳和水汽组成。

在稍后的篇章中我们将会了解到,吸积的过程将继续,最终在形成月球的大撞击下终止。随着地球慢慢冷却,液态水能够留存于地球表面。一些水汽可能是由地球本身的火山气体产生,但绝大多数可能是来自掉落于地球上的冰冷的彗星以及流星与小行星中的岩石物质。这种小规模的吸积过程直到今天仍在进行。如果你在晴朗的夜晚仰望星空,会看见流星划过天际。这些流星是坚硬的物质经过大气层燃烧最终抵达地球的微小颗粒。通常的流星只有沙粒大小,最大的流星不过如米粒一般,但是每一年它们累积起来的重量达 4 万 ~7 万吨。流星持续撞击地球的过程正是当初地球诞生的过程。

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目录

  • 引言
  • 01  地球的起源
  • 02  地球的同伴——月球
  • 03  地球炼狱
  • 04  年代测定之争
  • 05  三颗行星的故事
  • 06  生机勃勃的星球
  • 07  地心游记
  • 08  从内部看地球
  • 09  磁核
  • 10  流动的地幔
  • 11  超级地幔柱
  • 12  地壳和陆地
  • 13  板块构造理论
  • 14  海底扩张
  • 15  俯冲
  • 16  火山
  • 17  地震
  • 18  造山运动
  • 19  变质
  • 20  黑色金子
  • 21  地层深处的财富
  • 22  地层中钻石的秘密
  • 23  岩石循环
  • 24  雕刻地貌
  • 25  渐变论和灾变论
  • 26  沉积作用
  • 27  海洋循环
  • 28  大气循环
  • 29  水循环
  • 30  碳循环
  • 31  气候变迁
  • 32  冰河时期
  • 33  冰盖
  • 34  冰雪地球
  • 35  深时
  • 36  地层学
  • 37  生命的起源
  • 38  进化 
  • 39  埃迪卡拉的花园
  • 40  多样性 
  • 41  恐龙
  • 42  灭绝
  • 43  适应
  • 44  化石分子
  • 45  人类世
  • 46  未来资源
  • 47  未来气候
  • 48  未来进化
  • 49  未来板块
  • 50  地球的尽头
  • 术语表