第一讲地球的起源及地壳的形成

1第一讲宇宙及地球的起源与演化人类对宇宙的认识地球的起源2第一节、人类对宇宙的认识恒星的演化太阳和太阳系恒星与银河系星系与宇宙美丽的星空3尸佼的宇宙(尸佼即尸子,先秦诸子百家之一)：四方上下曰宇，古往今来曰宙,以喻天地民歌的宇宙：天似穹庐，笼罩四野霍金的宇宙：无边界有限宇宙马克思的宇宙：时空无限4传说与神话宗教将神话加工成教义《圣经》开宗明义：“起初，神创造天地，”“神说要有光就有了光，神看光是好的，就把光暗分开了。神称光为昼，暗为夜。有晚上，有早晨，这是头一日。”空气，海，地，太阳，众星，大鱼，飞鸟牲畜，昆虫和野兽，第七日人5易阴阳两仪变化阐释宇宙万物的变化法则：无极生太极，太极生两仪两仪生四象，四象生八卦，以至无穷我什么都知道了6程伊川：阴阳分离就不再有道，形成阴阳的因才是正道。阴阳是气---------形而下；道是形成阴阳的理--------形而上。朱熹：无极而太极。太极是阴阳的因，是无极。老子：无，以无为有道；“无”中生有裂变演化7宇宙的结局“凡是形成的东西都是要灭亡的。”宇宙有起源，宇宙有终结；“杞人忧天”预言并非都是骗局,关键是宇宙的平均密度取决于将行星系拉回来的引力的大小,引力取决于：宇宙中物质总量，宇宙半径宇宙也会衰老8宇宙的形成(影片00:01:03)9宇宙起源(动画演示)10宇宙有多大(影片:00:01:12)11一、恒星的演化当星际物质凝聚成恒星后，恒星的演化就决定于其内部的核反应过程，在稳定状态下，恒星向内的万有引力和向外的运动压力及辐射压达到平衡。但在某些情况下，这个平衡条件会受到破坏，在不同演化阶段的恒星有不同的观测表现。12恒星的诞生在星际空间普遍存在着极其稀薄的物质，主要由气体和尘埃构成。它们的温度约10～100K，密度约10-24～10-23g/cm3，相当于1cm3中有1～10个氢原子。星际物质在空间的分布不是均匀的，通常是成块地出现，形成弥漫的星云。星云里3/4质量的物质是氢，处于电中性或电离态，其余约1/4是氦以及极少数比氦更重的元素。在星云的某些区域还存在气态化合物分子，如氢分子、一氧化碳分子等。如果星云里包含的物质足够多，那么它在动力学上就是不稳定的。在外界扰动的影响下，星云会向内收缩并分裂成较小的团块，经过多次的分裂和收缩，逐渐在团块中心形成了致密的核。当核区的温度升高到氢核聚变反应可以进行时，一颗新恒星就诞生了。13Eagle星云恒星正在这里形成14主序星恒星以内部氢核聚变为主要能源的发展阶段就是恒星的主序阶段。处于主序阶段的恒星称为主序星。主序阶段是恒星的青壮年期，恒星在这一阶段停留的时间占整个寿命的90%以上。这是一个相对稳定的阶段，向外膨胀和向内收缩的两种力大致平衡，恒星基本上不收缩也不膨胀。恒星停留在主序阶段的时间随着质量的不同而相差很多。质量越大，光度越大，能量消耗也越快，停留在主序阶段的时间就越短。例如：质量等于太阳质量的15倍、5倍、1倍、0.2倍的恒星，处于主序阶段的时间分别为一千万年、七千万年、一百亿年和一万亿年。15目前的太阳也是一颗主序星。太阳现在的年龄为46亿多年，它的主序阶段已过去了约一半的时间，还要50亿年才会转到另一个演化阶段。与其他恒星相比，太阳的质量、温度和光度都大概居中，是一颗相当典型的主序星。主序星的很多性质可以从研究太阳得出，恒星研究的某些结果也可以用来了解太阳的某些性质。16红巨星与红超巨星当恒星中心区的氢消耗殆尽形成由氦构成的核球之后，氢聚变的热核反应就无法在中心区继续。这时引力重压没有辐射压来平衡，星体中心区就要被压缩，温度会急剧上升。中心氦核球温度升高后使紧贴它的那一层氢氦混合气体受热达到引发氢聚变的温度，热核反应重新开始。如此氦球逐渐增大，氢燃烧层也跟着向外扩展，使星体外层物质受热膨胀起来向红巨星或红超巨星转化。转化期间，氢燃烧层产生的能量可能比主序星时期还要多，但星体表面温度不仅不升高反而会下降。其原因在于：外层膨胀后受到的内聚引力减小，即使温度降低，其膨胀压力仍然可抗衡或超过引力，此时星体半径和表面积增大的程度超过产能率的增长，因此总光度虽可能增长，表面温度却会下降。17质量高于4倍太阳质量的大恒星在氦核外重新引发氢聚变时，核外放出来的能量未明显增加，但半径却增大了好多倍，因此表面温度由几万K降到三、四千K，成为红超巨星。质量低于4倍太阳质量的中小恒星进入红巨星阶段时表面温度下降，光度却急剧增加，这是因为它们外层膨胀所耗费的能量较少而产能较多。预计太阳在红巨星阶段将大约停留10亿年时间，光度将升高到今天的好几十倍。到那时侯，地面的温度将升高到今天的两三倍，北温带夏季最高温度将接近100℃。18预计太阳在红巨星阶段将大约停留10亿年时间19小质量恒星的死亡质量小于8倍太阳质量的恒星在经历红巨星阶段后，核心部分逐渐变为高温高密的简并态碳氧球体，外边紧贴着氦燃烧层，再外边是未燃烧的氦，最外边是氢氦混合气包层。核心部分形成简并态碳氧球的同时，混合气的包层一直在不断膨胀中。开始阶段由内部核反应产生的辐射压来推动，后来的推动力来源于气壳包层本身。20气壳膨胀冷却的同时，原先高度电离的气体会复合为中性原子，复合过程中自由电子的动能转移给中性原子成为原子的热运动能量，使原子快速运动而推动包层继续向外膨胀，终于脱离核心部分向外扩散。形成行星状星云。行星状星云充分膨胀之后就显露出中心天体，它就是没有核反应能源的白矮星。白矮星的温度还很高，可达10万K以上。白矮星的辐射来自原先积存的热能，在它表面温度降到4000K以前，它所积存的热能可以使它维持发光80亿年。那以后辐射损耗更为微弱，还可以维持更长的时间。白矮星最终会演化为黑矮星。21这是一个行星状星云,编号NGC6543,位于3000光年远的天龙座,绰号猫眼星云。这个奇异的星云是由估计在1000年前,一颗垂死的恒星爆发后,抛出的气体物质构成的。22行星星云IC3568，位于鹿豹座，距离地球大约9000光年，直径约0.4光年，是我们太阳系的800倍23大质量恒星的死亡大质量恒星经过一系列核反应后，形成重元素在内、轻元素在外的洋葱状结构，其核心主要由铁核构成。此后的核反应无法提供恒星的能源，铁核开始向内坍塌，而外层星体则被炸裂向外抛射。爆发时光度可能突增到太阳光度的上百亿倍，甚至达到整个银河系的总光度，这种爆发叫做超新星爆发。超新星爆发后，恒星的外层解体为向外膨胀的星云，中心遗留一颗高密天体。24金牛座里著名的蟹状星云就是公元1054年超新星爆发的遗迹。超新星爆发的时间虽短不及1秒，瞬时温度却高达万亿K，其影响更是巨大。超新星爆发对于星际物质的化学成分有关键影响，这些物质又是建造下一代恒星的原材料。25金牛座里著名的蟹状星云就是公元1054年超新星爆发的遗迹26超新星爆发时，爆发与坍塌同时进行，坍塌作用使核心处的物质压缩得更为密实。理论分析证明，电子简并态不足以抗住大坍塌和大爆炸的异常高压，处在这么巨大压力下的物质，电子都被挤压到与质子结合成为中子简并态，密度达到10亿吨/立方厘米。由这种物质构成的天体叫做中子星。一颗与太阳质量相同的中子星半径只有大约10千米。27中子星也有质量上限，最大不能超过大约3倍太阳质量。如果在超新星爆发后核心剩余物质还超过大约3倍太阳质量，中子简并态也抗不住所受的压力，只能继续坍缩下去。最后这团物质收缩到很小的时候，在它附近的引力就大到足以使运动最快的光子也无法摆脱它的束缚。所以这个天体不可能向外界发出任何信息，而且外界对它探测所用的任何媒介包括光子在内，一贴近它就不可避免地被它吸进去。它本身不发光并吞下包括辐射在内的一切物质，就象一个漆黑的无底洞，所以这种特殊的天体就被称为黑洞。黑洞有很多奇特的性质，对黑洞的研究在当代天文学及物理学中有重大的意义。28黑洞正在吞噬它的伴星的物质29二、太阳和太阳系太阳系（solarsystem）是由太阳、9颗大行星、66颗卫星以及无数的小行星、彗星及陨星组成的。行星由太阳起往外的顺序是：水星（mercury）、金星（venus）、地球（earth）、火星（mars）、木星（jupiter）、土星（saturn）、天王星（uranus）、海王星（neptune）和冥王星（pluto）。离太阳较近的水星、金星、地球及火星称为类地行星（terrestrialplanets）。宇宙飞船对它们都进行了探测，还曾在火星与金星上着陆，获得了重要成果。它们的共同特征是密度大（3.0克/立方厘米），体积小，自转慢，卫星少，内部成分主要为硅酸盐（silicate），具有固体外壳。30离太阳较远的木星、土星、天王星、海王星及冥王星称为类木行星（jovianplanets）。宇宙飞船也都对它们进行了探测，但未曾着陆。它们都有很厚的大气圈，其表面特征很难了解，一般推断，它们都具有与类地行星相似的固体内核。在火星与木星之间有100000个以上的小行星（asteroid）（即由岩石组成的不规则的小星体）。推测它们可能是由位置界于火星与木星之间的某一颗行星碎裂而成的，或者是一些未能聚积成为统一行星的石质碎块。陨星存在于行星之间，成分是石质或者铁质。312006年8月24日，国际天文学联合会大会投票决定，不再将冥王星视为行星，而将其列入“矮行星”；放弃将冥王星之外的太阳系八大行星称为“经典行星”的说法，从而确认太阳系只有8颗行星。根据国际天文学联合会大会24日通过的新定义，“行星”指的是围绕太阳运转、自身引力足以克服其刚体力而使天体呈圆球状、并且能够清除其轨道附近其他物体的天体。冥王星由于其轨道与海王星的轨道相交，不符合新的行星定义，因此被自动降级。32331、行星运动定律德国天文学家开普勒(JohannesKepler)是丹麦著名天文学家第谷(TychoBrahe)的学生和继承人，他与意大利的伽利略(Galileo)是同时代的两位巨人。开普勒从理论的高度上对哥白尼学说作了科学论证，使它更加提高了一大步。他所发现的行星运动定律“改变了整个天文学”，为后来牛顿(IsaacNewton）发现万有引力定律奠定了基础。开普勒也被后人赞誉为“天空的立法者”。开普勒根据第谷毕生观测所留下的宝贵资料，孜孜不倦地对行星运动进行深入的研究，提出了行星运动三定律。34行星运动第一定律（椭圆定律）：所有行星绕太阳的运动轨道是椭圆，太阳位于椭圆的一焦点上。行星运动第二定律（面积定律）：联接行星和太阳的直线在相等的时间内扫过的面积相等。行星运动第三定律（调和定律）：行星绕太阳运动的公转周期的平方与它们的轨道半长径的立方成正比。352、提丢斯--波得定则十八世纪，德国数学家提丢斯(JohannesTitius)提出一个公式，能十分精确地表示出各行星之间相对距离的数字关系。这个公式，在1772年由柏林天文台台长波得(JohannBode)公布于众，被称为提丢斯-波得法则。这个法则认为，行星轨道大小若用天文单位来计算，可以由下列经验公式表达：36Αn=0.4+0.3×2n-2其中n为行星序号，不过水星应取－∞。按这个公式，在n=5的地方缺一颗行星，后来发现了小行星带；木星和土星的n应分别为6和7；在n=8距离上发现了天王星；在约相当于n=9的距离上发现了海王星。本世纪30年代发现的冥王星距离按说应该是n=10，但实际上仍接近于n=9，很可能和它形成的情况有关。冥王星之外是否还有真正相当于n=10的大行星，虽然一直引起人们的兴趣，但至今尚未有定论。373、太阳系的特点行星运行轨道都接近圆形（近圆性），并几乎位于同一轨道平面上（共面性），只有水星和冥王星的轨道有较大倾斜。行星绕太阳运行的方向除金星外都是逆时针的。大多数卫星也按相同方向绕行星运行。太阳的质量占太阳系总质量的99.8％，但太阳的角动量很小，不超过太阳系总角动量的2％，角动量的分配与各星体的质量很不协调（角动量分配异常）。类地行星与类木行星在体积、质量、密度、旋转速度、卫星数量方面具有系统性差别。其他星球上已知的元素，地球上都存在，即具有组成元素的一致性。撞击坑形成