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地球科学

地球科学

地球 – for physicists

31 Jul 2009

科学家开始了解碰撞,轰炸和灾难对我们星球演化的影响程度。约翰·贝兹 讲述了一个淡蓝色圆点的暴力历史

地球 – for physicists

The prospect of human-induced 气候 change has many people worried. In addition to the sheer scale of the problem, there is also the challenge of it being so complex. 地球’很难准确预测其行为。计算机能力还不够:模型必须基于扎实的物理见识和对地球的深刻理解’s current behaviour —还有它的历史

幸运的是,在过去的十年中,我们已经了解了很多有关这一历史的知识。时间的迷雾正在清除。似乎我们并不孤单地度过危险时期。地球目睹了一些重大灾难。为了使我们的故事简短,让我们专注于四个方面:“big splat” about 4.55 十亿年前的“后期重型轰炸” about 4 十亿年前的“oxygen catastrophe” roughly 2.5 十亿年前和“snowball Earth” events about 850 一百万年前。这些事件的细节—甚至他们是否真的发生过—保持争议。但是,它们是被广泛接受的理论。在每种情况下,检验这些理论都涉及有趣的物理学。

月球的诞生
太阳很可能是由气体和尘埃云的引力坍塌形成的。早期恒星形成模型假定是球对称的,但如果您知道笑话所指向的笑话,“考虑球形母牛”,那么您应该怀疑这是一个危险的过分简化。实际上,角动量起着重要作用。由于这种云在重力作用下坍塌,因此应形成旋转“accretion disk”.

当磁盘的中心变得足够密集以使其承受压力时,我们的太阳就诞生了“protostar”。这个阶段持续了100次 000年左右;然后温度上升到热气体流出阻止太阳吸收更多物质的地步。在这一点上,太阳成了我们所谓的“T Tauri star”,它只能由重力缓慢地收缩。大约再过100 一百万年后,随着其核心氢开始聚变,它成为了普通的主序星。

绕太阳升起的一些尘埃变得很热并且融化了,后来一些融化的小滴冻结成了“chondrules” — millimetre-sized spheres of simple minerals such as pyroxene and olivine, which are mostly made of sodium, calcium, magnesium, aluminium, iron, silicon and oxygen. These 软骨 are the main constituent of some of the most primitive objects that still ply their way through the solar system: stony meteorites called “chondrites”.

绕着初阳的尘埃开始形成团块“planetesimals”。随着这些团块的碰撞,它们变得越来越大,最终形成了我们今天看到的小行星和行星。一些团块熔化,使较重的金属沉入其核心,而较轻的材料留在表面。一些撞到彼此,破碎和形成,还有其他陨石,例如铁–镍陨石和石陨石称为“achondrites”.

通过在陨石上使用放射性约会技术,研究人员声称这一切发生的时间令人震惊的精确知识:介于4.56和4.55之间 十亿年前。因此,地球大概是在那时的某个时候形成的—我们的故事就此正式开始。

地球’其历史分为四个世代:Hadean,Archean,Proterozoic和Phanerozoic。我小时候“Cambrian era”早在我的课本上,除了阴暗的“Precambrian”。但是寒武纪刚开始只有540 一百万年前。寒武纪标志着当前的世代Phanerozoic的开始“可见生命的年龄”。这是多细胞生物占领世界的时候,留下了我们今天发现的化石。但是,我们将进行更深入的研究:幻影时代将终结我们的故事。

回到哈迪安。顾名思义,这是地球异常炎热的时候。它始于一个在4.53左右形成月亮的事件 十亿年前。是什么造了月亮?当前最流行的解释是“giant-impact theory” —有时称为“big splat” theory.

这个想法是在地球的拉格朗日点之一形成另一个行星’轨道。 1772年,约瑟夫·路易斯·拉格朗日(Joseph Louis Lagrange)指出,如果您的行星绕太阳绕圆形轨道运行,那么,如果太阳位于60°处,那么更轻的物体将以相同的距离稳定地绕太阳运行°在该行星之前或之后。在木星的拉格朗日点附近确实有许多小行星,在火星和海王星的拉格朗日点附近确实有许多小行星。在地球上未发现小行星’拉格朗日积分。但是根据巨撞击理论,确实在其中一个点上形成了一颗行星。当它达到大约火星的质量时,它将不再在这个位置稳定。它会逐渐向地球漂流,最终被击中!这次碰撞可能形成了月亮。

这是一个戏剧性的理论,但有很强的理由,科学作家达娜·麦肯齐(Dana Mackenzie)很好地总结了一下’s recent book 大飞溅,或我们的月亮如何变成。例如,潮汐摩擦使月球逐渐从地球后退。我们知道它现在以约3.8的速率在消失 厘米每年。古代沉积物记录了潮汐,并显示至少自前寒武纪以来,几个月的时间已经更长。向后推算,我们发现在哈代时代,月亮非常靠近地球。它可能是由于离心力从地球上甩下的,还是首先在地球附近形成的,或者被地球捕获了?’引力场?所有这些理论都必须加以考虑,但是巨大影响理论似乎最适合数据。人们非常重视它,以至于假想命中地球的星球甚至有个名字:Theia。在希腊神话中,Theia是一个女巨人,他生下了月亮。

In 2004 the astrophysicist Robin Canup of the Southwest Research Institute in Boulder, Colorado, published some remarkable computer simulations of the 大摔伤. To get a moon like ours to form —而不是铁太丰富,太小或其他方面不对的—您需要选择正确的初始条件。 Canup发现最好假设Theia比火星大一点:占地球的10%至15%’的质量。它也应该开始缓慢地向地球移动,并以掠射角撞击地球。

结果是 非常 糟糕的一天。 Theia撞击地球并切下大块,形成一团破碎,熔化或汽化的岩石,然后飞向太空。一个小时之内,地球的一半’s surface is red hot, and the trail of debris stretches almost four Earth radii into space. After three to five hours, the iron core of Theia and most of the debris comes crashing down. 地球’整个地壳和外地幔融化。此时,Theia的四分之一实际上已经蒸发了。

一天后,尚未掉落的物质形成了环绕地球的一圈碎片。但是,这样的戒指并不是稳定的:在一个世纪之内,它会聚集起来形成我们知道和喜爱的月球。同时,Theia’铁心将沉入地球中心。

The 巨冲击理论 is still much debated, in part because there is little direct evidence left: the oldest known rocks on Earth were formed almost half a billion years later.

The 后期重型轰炸
太古宙世始于直到今天生存的第一批岩石的形成。大约发生了4次 十亿年前。在此之前必须已经形成了许多火成岩,尤其是玄武岩。实际上,海洋可能已经开始形成4.2 十亿年前。但是我们看不到这种早期地质的任何痕迹。一个可能的原因是,太古代时代的开始不是一个和平时期。

After the Moon was formed, the Earth continued to suffer many impacts. Curiously, instead of their frequency gradually dropping off over time, it may have spiked during a period called the 后期重型轰炸, which occurred some 4 to 3.8 十亿年前。月球上的许多大型陨石坑可以追溯到这一时期,因此地球也可能受到了撞击—但是在这里,如此古老的陨石坑将因风化和地质活动而丢失。因此,月亮是我们的向导。

During the 后期重型轰炸, the Moon was hit by 1700 meteors that made craters that are more than 100 km across. 地球 could easily have received 10 times as many impacts of this size, with some being much larger. To get a sense of the intensity of this pummelling, recall the meteor impact that may have killed off the dinosaurs at the end of the Cretaceous period 65 一百万年前。这留下了一个火山口180 km across. 影响力s of this size would have been routine during the 后期重型轰炸.

为什么这个时代如此暴力?一种理论认为,大约在这个时候,木星和土星进入了2:1的轨道共振(木星同时完成了两个轨道,而土星只完成了一个轨道),从而造成了最初的小行星和冰冷物体的巨大破坏。绕太阳公转。 2005年,行星物理学家进行了国际合作,其中包括西南研究所的哈尔·莱维森(Hal Levison)—推动冥王星是一个冥想的人之一“dwarf planet” —发表了一篇有关太阳系一些有趣的计算机模拟的论文(性质 435 466). As initial conditions, they take all four gas giants to lie in circular orbits more closely spaced than they are now. By interacting with 行星小数, Saturn, Uranus and Neptune gradually migrate outwards. When Saturn reaches the point where it orbits the Sun once for every two orbits of Jupiter, the whole outer solar system destabilizes. The orbits of Neptune and Uranus become more eccentric and they throw many 行星小数 out of their original orbits. Some are hurled into the inner solar system, which would explain the 后期重型轰炸.

The 氧气灾难
相信地球’s surface cooled enough to form a crust even before the 后期重型轰炸. Meanwhile, volcanic activity would have released lots of steam, carbon dioxide and ammonia. This formed what is called the Earth’s “second atmosphere”. 地球’s “first atmosphere”, mainly hydrogen and helium, was already lost to space. The 第二气氛 was mainly carbon dioxide and water vapour, with some nitrogen but probably not much oxygen. This 第二气氛 had about 100 times as much gas as today’s “third atmosphere”.

随着地球的冷却,海洋形成了。在某些重大影响下,它们可能已经完全沸腾了,但随后进行了改革。最终,大气中的许多二氧化碳溶解到了海水中。后来以碳酸盐的形式沉淀出来,从而开始了华盛顿卡内基研究所的地质学家罗伯特·海森(Robert Hazen)的一个新阶段。’地球物理实验室和他的同事打电话“mineral evolution”。这不是达尔文意义上的进化,而是地球上矿物的逐渐多样化’的历史。在2008年,由Hazen领导的一组地质学家估计,在Hadean世代期间,地球上可以发现350种矿物。但是作为地球’历史的发展,他们的人数不断增加。到太古宙时代结束时,它达到了1500年,部分原因是海洋的形成–还要感谢板块构造的兴起。

板块构造的第一步是形成“cratons”:古老的紧密编织的地球碎片’s crust and mantle, dozens of which survive today. For example, in the UK, south-eastern Wales and part of western England lie in the Midlands craton. While most 克拉通 only finished forming 2.7 十亿年前,几乎所有的东西都开始增长。克拉通石主要由火成岩制成,例如花岗岩,比玄武岩还要复杂。花岗岩以多种方式形成,例如通过沉积岩的重熔。早期的花岗岩状岩石可能更简单。

克拉通装在一起形成构成地球的更大板块’今天地壳。确实,我们所知道的板块构造学始于大约三十亿年前。这个过程的一个关键方面是地球的回收’s crust through “subduction”:洋洋板块在大陆板块下滑动并被推入地幔。另一个特征是水下火山活动,导致热液喷口—海底裂缝喷出热水。

这些出气孔有可能在所有太古代发展中最戏剧性的角色:生命的起源。由于早期地球缺乏游离氧,因此第一生命一定是厌氧的。即使在今天,许多已知的最古老的微生物,例如在热液喷口中发现的微生物,也无法忍受氧气的存在。此类生物引起活跃的硫循环,从约3.6开始开始硫酸盐矿的沉积 十亿年前。后来,他们使大气层中的甲烷越来越丰富。

在某个时刻,微生物开始光合作用并将氧气释放到大气中。最早的植物似乎可以通过与此类微生物共生而获得光合作用的能力。确实,植物中的叶绿体具有自己的独立DNA。

光合作用什么时候开始还不清楚—估计范围介于3.5和2.6之间 十亿年前。一个可能的线索— rocks called “带状铁结构”由薄薄的氧化铁层和贫铁岩石组成—大约在这个时候开始出现。当来自第一个光合作用生物的氧气与海水中的铁反应时,它们可能已经形成。没有人能确切知道为什么富含铁的沉积物来去去去。

光合作用花了很长时间才对地球产生重大影响’s atmosphere —但是当他们这样做的时候,大约是2.5 十亿年前,结果是惊人的。毕竟,氧气以气态形式具有很高的反应性,大多数早期生命都无法忍受。因此,地球上的这一集’s history has been dubbed the 氧气灾难. Luckily, evolution found a way out: now many species need oxygen.

The 氧气灾难 marks the end of the Archean eon and the beginning of a new eon, the Proterozoic. The next billion years were dominated by something called the “intermediate ocean”:海水中的氧气含量比以前高得多,但比今天少得多。

雪球地球
约始于850 一百万年前,发生了一件戏剧性的事情:失控的冰川事件,在此期间,大部分或全部地球都被冰覆盖了。提倡这种情况的极端版本​​的人叫他们“snowball Earth”事件,而其他人则主张仅“slushball”。由于冰反射了阳光,使地球变得更冷,因此很容易猜测这种失控的反馈是如何发生的。现在正在发生相反的反馈,因为融化的冰使地球更暗,因此更暖。有趣的问题是,为什么这种不稳定不会一直将地球推向极端温度,为什么雪球-地球事件在发生时就开始发生,为什么地球没有保持冻结。

这是对最后一个问题的当前流行答案。冰盖减慢了岩石的风化作用。通过将其转化为各种碳酸盐矿物,这种风化是消耗大气中二氧化碳的主要长期过程之一。另一方面,即使在冰雪覆盖的地球上,火山活动也会继续将二氧化碳排放到大气中。因此,最终会积累二氧化碳,并且温室效应会再次使事情升温。当冰融化时,风化作用将增加,大气中的二氧化碳含量将再次下降。但是,此反馈循环非常慢。实际上,已经有人提出,在热相中,多达13%的大气层可能是二氧化碳—是今天的350倍!

到这些冰川循环结束时,人们认为氧气已从大气中的2%增加到15%。 (现在是21%。)这可能就是为什么多细胞吸氧生物可以追溯到这个时候。其他人则认为“freeze–fry”周期对生命施加了巨大的进化压力,并导致了多细胞生物的兴起。这些理论都可能是正确的。 (有关更多详细信息,请尝试Gabrielle Walker’s excellent book 雪球地球

多细胞有机体的兴起标志着元古代的结束和现今的时代的开始:生代时代。这是我们故事的结局—但是,地球的历史当然不会到此为止。

我们现在处在生代世代的新生代时代。全新世时代刚刚结束,人类世开始,其特征是人类对生态系统和气候的重大影响。通过破坏自然栖息地,人类掀起了一场大规模灭绝事件,这一事件可能与白垩纪时期的末期有关65 一百万年前。我们还以令人难以置信的速度提高了大气中的二氧化碳水平。如果温度再升高一度,那么地球’温度将是1.35以来的最高温度 一百万年,在当前冰河时代周期开始之前。我们要去哪里?没人知道。

但是,研究地球历史将使我们处于更容易猜测的位置。我们无法进行实验来测试地球’s response to different levels of greenhouse gases. Computer models are essential, but evidence from 雪球地球 and other incidents in the Earth’过去是对这些模型的关键检查。同样,研究过去的灭绝事件和地球’从他们那里恢复过来,可能会提供有关这个星球上生物多样性的未来的线索。

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