16.早期地球
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THE EARLY EARTH
阳光照射在墙上；墙因为借来的光芒而大放异彩。质朴的人们啊，为什么要对这样一堵泥土砌成的墙魂牵梦萦？去寻找永远闪耀着的光源吧。
——鲁米
（RUMI）
就我本人而言，我不知道人类在这个庞大的宇宙中究竟是不是独一无二的。但我确实知道，我们应该珍爱我们在这个宝贵的物质小斑点上的存在……这可能是我们接受的最伟大的礼品。无论如何，行星地球在宇宙中独一无二。
——潘基文
（BAN KI-MOON）
本章研究目标
本章内容将涵盖：
· 地球的起源
· 地球内部结构的形成
· 地磁场的形成
· 狂暴轰击
地球有一个混乱且时而狂暴的历史。幼年地球远不如今天这般舒适，而且是陨石和其他天体轰击的目标。与研究宇宙、星系和恒星时不同，我们在研究地球时可以享受的豪华待遇是：直接从地球上得到用于进行实验的资源，而不需要发明间接研究它们的方法。
地球与太阳系的其他行星非常不同，它有适宜的温度、充沛的水和允许生命产生并进化几十亿年的大气和生态。任何其他行星都没有这种组合特征。有许多因素影响了地球，使它变成了今天这个样子。地球与太阳之间的距离使它实际上处于太阳系的宜居带之内，它的质量足以保留自己的大气，它的化学组成中包括可以让生命发展的化学物质，所有这一切让地球变成了今天这样一个舒适的地方。地球是太阳系中唯一一颗这样的行星，在以太阳系为中心的更广大的范围内可能也是如此，甚至在浩瀚的银河系中，我们的地球也可能是独一无二的！而且，地球相对于太阳系中其他天体以及它们的联合引力的位置，为它提供了一个围绕太阳的稳定的轨道。通过关注地球的早期演变问题，我们会更多地了解我们的行星的过往历史和当今状态。这一点极为重要，因为地球是一颗独特的行星，而且是已知的唯一一颗在几十亿年间支持着生命存在并养育着智慧生命的行星。对于地球的本质和使其形成的物理条件的研究将带来线索，使我们能够理解其他像地球一样、有一天会孕育生命的行星。
本章将研究行星地球的形成、它的起源和早期历史，并探讨地球的内部结构及其来源，以及许多特性的起源。我们将在本章估计地球的年龄，研究地磁场的起源，也将讨论地球遭受的狂暴轰击及其对地球的影响。
地球的形成
地球是一颗类地行星，由初始气体云中的微型粒子积聚形成。这些微粒是太阳系星云中的气体凝聚而成的，当时的温度由于气体云与太阳的距离增加而下降。微粒随后围绕新形成的太阳做有序运动（图15.2）。这时，这些微粒的质量还太小，无法通过引力的吸引相互影响，而把它们聚到一起的主要作用力是电磁力，这就像用塑料尺摩擦我们的头发时产生的“静电”能够吸引纸屑一样。当各个微粒的大小和质量增加时，它们开始通过引力相互作用，并吸引更多的这类系统，形成了原行星（protoplanets）或者星子（第15章）。由于表面积的增加，星子之间碰撞的概率增大了，因此，它们的质量和大小在100万年至1000万年的时间里迅速成长，形成了与行星类似的系统。
对于包括地球在内的4颗距离太阳最近的行星，这时的温度太高，使大部分挥发性物质（容易汽化的物质）都蒸发了。因为这一点，再加上来自太阳的太阳风和辐射压力，大部分轻元素（氢和氦）都被吹走了。所以这些行星主要由重元素组成，包括形成岩石的硅酸盐以及铁和镍等金属。通过测量陨石的年龄，地质学家们推断地球大约在45.6亿年前形成。当星子与行星碰撞并合并的时候，它们的动能转化为热能，熔化了行星上的物质。这些热能，以及通过放射性物质（铀、钍、钴和钾）的衰变产生的热，是现在地球核心的高热的来源。
图16.1 地球形成后不久，便遭到一颗火星大小的行星的巨大冲击。这次冲击使地球在它现在的轨道上运行，让地球的自转偏离竖直轴23.5°，并击碎了地球的一部分，这部分就是今天的月球
大约45.1亿年前，熔融状态的地球经历了一次与火星大小的天体的灾难性碰撞。这次碰撞的后果是三大主要事件，它们决定了地球的未来演变以及未来的生命（图16.1）。这次碰撞加快了地球围绕太阳的旋转速度；使它的轴偏转竖直方向（相对于地球的公转平面）23.5°（因此有了不同的季节）；也让地球进入了它现在的轨道，并击出地球的一团物质，形成了围绕地球旋转的月球（同时稳定了地球的轨道）（图16.1）。这种说法与月球的估计年龄（根据阿波罗飞船宇航员带回的岩石）44.7亿岁一致。这次早期碰撞看起来是场灾难，却稳定了地球的轨道，并使地球拥有了它作为现在这颗行星的条件。表16.1显示了地球形成的时间线。
表16.1 地球早期形成的时间线，第一列显示的是形成后的时间
来源：Wood 1979。
表格出处：John Armstead Wood, “Timeline for the Early Formation of the Earth,” The Solar System. Copyright © 1979 by Pearson Education, Inc.
地球的年龄
今天，我们掌握了各种测量地球年龄的技术。一个直截了当的方法是研究矿物颗粒硅酸锆（zirconium silicate）或者锆石（zircons）（专题框16.1）。尽管这些颗粒存在于年轻得多的沉积岩里，但以铀的同位素为基础的放射性年代测定表明，有些锆石是在大约44亿年前形成固体的。进一步的研究表明，锆石形成的年代可以一直追溯到大陆开始形成的时刻，这说明地球的地壳是在大约45亿年前开始与其内部结构分离的（表16.1）。
从月球带回地球的岩石表明，月球的年龄超过44亿岁。这些岩石要比地球上的岩石古老得多。人们发现，地球上最古老的岩石有40亿岁。然而，地球上一些早期的岩石或许曾经熔化过，或者发生过使人无法为其准确断定年代的变化。如果真的如同我们上一节讨论的那样，月球是在一次地球与火星大小相仿的天体的碰撞中从地球上分离出去的，则它一定比地球年轻一些，而它们在岩石年龄上的差别只能说明，地球上发生过月球上从未有过的地质状况变化。这说明地球的年龄在45亿岁以上。
专题框16.1 最古老的陆源物质
最近，地球化学家们在西澳大利亚发现了预计年龄为44亿岁的锆石颗粒。这些颗粒跻身已知最古老的陆源物质之列。对于这些锆石的化学分析显示，它们是在清冷、含水的环境下生成的。这一发现证实了，在地球形成并遭受灾难性碰撞发生后大约1亿年，地球上的温度已经低到足以形成地壳的程度了。同样被证实的是，在地球形成后不久就出现了水和海洋。
根据陨石的年龄，我们可以推算太阳系的年龄，后者是地球年龄的上限。研究者发现，一切陨石的年龄都是相同的，这证实了它们几乎都是在同一时刻诞生的假说。由于陨石是太阳系形成之初遗留下来的物质，它们的年龄就是地球年龄的上限。人们发现，陨石的年龄大约为45.7亿岁。
对于地球、月球和陨石上的同位素比较说明，地球和月球很可能是在第一批陨石形成后的5亿至7亿年形成的。这意味着地球的年龄大约是45亿岁。
地月系统
根据大碰撞假说，月球在与地球刚刚分离的时候，它们之间的距离要比现在近得多。地球上形成了地壳、水和海洋之后，情况仍然如此。这样近的距离之下，月球在地球的海洋上产生了潮汐力，每隔12小时便会引起一次大潮。潮汐摩擦减慢了地球的旋转速度，而地球的引力减慢了月球的旋转速度。由于地球的旋转速度减慢，一年（定义是地球围绕太阳公转一周的时间）中的天（定义为地球绕自己的轴自转一周的时间）数变多了。例如，在大约4亿年前的泥盆纪（Devonian period），一年有400天。自从行星形成以来，地月系统的旋转速度一直在减慢，而且这两个天体在以每年几厘米的速率渐行渐远。
地球各层的形成
100多年前，地质学家们开始通过检测地震波（seismic wave；seismic这个英文词来自希腊词seismos，意为“地震”）来观察地球的内部。这时人们意识到，地球的内部可以划分为组成不同的同心球面层（图16.2）。英国物理学家亨利·卡文迪许（Henry Cavendish，1731—1810年）在1798年发现，地球的平均密度经计算大约为5.5克/厘米3，明显超过了富铁岩石的密度（大约3.5克/厘米3）。深入地球内部后我们发现，岩石由于受到了上层部分的挤压而缩小体积，进一步增加了地球内部的密度。
通过积聚与合并产生的庞大能量使最初的物质融化，并在地球内部自由地运动。由于铁和镍的熔点低于二氧化硅（硅和氧的化合物，分子式为SiO2）的熔点，它们这时处于液态。这些重元素随后在引力作用下下沉，并由于地心的高压形成了地球的固体核，其周围由熔融（液态）的铁（图16.2）包围。一层二氧化硅富集的岩石包围着液体铁壳层，前者叫作地幔（mantle，德语）。比铁和镍轻的元素运动到地球表面并冷却，形成了固体的地壳。这一过程叫作分异作用（differentiation），是使地球形成地核、地幔和地壳三层的原因。地球各层的大小和主要成分列于表16.2中。
图16.2 地球的三层：地核、地幔和地壳。其中地核由内层铁核和外层熔融铁核组成
地球的固体内核主要含有铁和镍，半径为1 220千米，温度约为5 000开尔文（地球温度随半径向内增加）——高于铁和镍的熔化温度。那么固体内核是如何在这样的高温下形成的？这是因为铁镍合金是在高压下而不是低温下凝固的。当我们深入地幔内部考察时，其密度随深度而增加，这并非由于元素组成的变化，而是由于压力的增大使化学成分的体积减小了。海洋地壳(地球表面在海底）的厚度约为7千米，而大陆地壳(形成大陆的地壳）的厚度约为40千米。此外，海洋岩石含有铁，大陆岩石含有低熔点的硅酸盐，因此海洋岩石比大陆岩石的密度大。与海洋地壳相比，大陆地壳的密度更低，厚度更高，因此它们的位置更高，漂浮在密度更高的地幔上。
总而言之，超过99%的地球质量是由8种元素构成的，而地球90%的质量由4种元素构成：铁、氧、硅和镁。地核中分布着高浓度的铁，而氧、硅和镁主要分布在地幔和地壳中。
表16.2 地球各层的性质
来源：Jordan and Grotzinger 2012.
表格出处：Thomas H. Jordan and John Grotzinger, “Properties of the Earth's Layers”，The Essential Earth, 2nd Edition. Copyright © 2011 by W. H. Freeman & Company.
地球磁场的起源
实验表明，电流能够在它的邻域产生磁场，这一点广为人知。作为电流的良导体，外地核流动的熔融的铁是引发地磁场的主角。在地球的生命中，地磁场是怎样一直被维持着的？地核极度的高热又是怎样影响磁场的？如果有办法持续产生磁场，这些问题也就迎刃而解了。由于对流过程（较热的物质向上、较冷的物质向下的流动），位于外地核的熔融的铁一直在运动，由此产生了磁场。众所周知，如果导体在磁场中的运动存在着切割磁力线的分量，则会有电场产生。地核是地球磁场中运动的导体，它一直在产生电场，而电场又接着会产生磁场。
与条形磁铁一样，地磁场也有两极：北极和南极，看不见的磁力线连接着它们。所以我们可以用一个磁偶极子代表地磁场。它在地球表面的两点与地球相交，这两点叫作磁极。磁极与地理上的两极并不重合，大约相差1 500千米。出于这个原因，指南针上的指针并不指向地理上的两极，而是指向与地球的自转轴相差11°的磁极。
地磁场保护了地球，使之免遭来自太阳的带电粒子的荼毒，这些带电粒子就是太阳风。它们会对动植物产生危害，而且会干扰通信卫星。地磁场会让这些带电粒子发生偏转，使它们无法轰击地球表面。地磁场通常会使岩石磁化，特别是那些含铁的岩石，而地质学家们又利用这些岩石来研究磁场随时间变化的行为。
狂暴轰击
在行星形成之后，大批星子留在太阳系中，以小行星和彗星的形式存在。这些“残留物质”中的一部分在太阳系诞生的最初1亿年间撞上了行星。这一时期叫作狂暴轰击时期。地球在其生命历程中曾多次经历这样的事件，每一次都有95%的物种惨遭灭绝（专题框16.2）。今天，月球表面狂暴轰击的痕迹仍然历历在目。与月球相比，地球的体积、质量和引力都更大，是更明显的轰击目标。然而，地球上这种轰击的痕迹已经被侵蚀或被火山活动抹去。对月球上的陨石坑以及地球上的锆石颗粒（其中含有地球上已知的最古老元素）的年龄的研究，可以让人们测量这种冲击的频率下降的时刻。这些计算表明，大约在39亿年前，冲击频率曾经有过一次显著提高（图16.3）。人们称其为后期狂暴轰击。导致这一情况的原因可能是引力相互作用引起的行星轨道运动——直到它们在更稳定的轨道上就位，轰击才告结束。这一过程很有可能干扰了一些星子的轨道，使它们撞击行星。
专题框16.2 狂暴轰击对地球上的生命的影响
碰撞发生的时候，天体会产生数量庞大的能量。例如，如果一颗直径350至400千米的小行星撞击地球，便可以产生足够的热，蒸发地球上所有海洋，将地球的表面温度提高到2 000摄氏度。这将具有毁灭效应，使地球上一切生命形式一朝覆亡。相对较小的冲击将蒸发深度达几百米的海洋表层。在这种情况下，处于相对安全的环境中（如在海洋深层或者在地球内部）的生命有希望存活。因此，某些形式的生命可以在大约45亿年前的早期地球存在，但可能会在狂暴轰击时期灭绝。生命有可能曾经多次出现，它们曾经消亡，又重新开始。
总结与悬而未决的问题
地球是由旋转气体云中的固体物质积聚形成的。这些物质最初通过静电力汇聚在一起并生长，而一旦拥有了一定的体积和质量，它们便通过引力汇聚，形成了星子。通过围绕着新近形成的太阳的有序运动，它们相互吸引，形成了地球。地核的热来自星子的碰撞，它们的动能被转化成热能；放射性物质的衰变对此也有重要贡献。
图16.3 图中显示了轰击频率随时间的变化。从45亿年前到39亿年前，这段时间内曾经发生过明显的轰击。39亿年前的峰值可能是太阳系中的行星进入它们现在的轨道造成的。此后的频率降低，是因为行星引力场的结合使陨石偏离了地球
地球的年龄是通过不同的独立方法准确测量的，包括通过铀同位素对锆石的年代测定，对于来自月球的岩石的检测提供了地球的年龄下限，而通过陨石对太阳系年龄的估计则提供了上限。这些估计聚焦于45亿年前。地球曾经与一颗火星大小的天体相撞，造成了月球从地球上分离。月球与地球刚刚分离时，它们之间的距离比现在近得多，但月球在几十亿年间以每年几厘米的速率远离我们而去，而且这一过程还在继续。
由于分异作用，地球内部形成了不同的三层。这是一个使较重的元素沉到地心，同时使较轻的元素移动到表面的过程。这些层包括固体铁镍合金组成的内核温度约为5 000摄氏度；这里的凝固是由于地心极大的压力造成的；还有由熔融的铁形成的外核，温度大约3 000摄氏度，液态铁通过对流在外核中运动。地幔是地球结构的主体，除了沉入地心的重元素和升到表面形成地壳的轻元素之外，其余的一切物质组成了地幔。它的主要组成部分是硅酸盐和镁。地幔中的对流过程将热量从地球的内层带到地表。最后，地壳是由运动到表面并在那里冷却的熔融物质形成的。这是地球的固体部分，在地球历史的初期由低熔点的硅酸盐形成。外核中熔融的铁的运动是形成地磁场的原因。这是因为铁是电流的良导体，而带有电流的物质会在它的邻域产生磁场。
地球在形成之后，经历了一个遭受太阳系内遗留物打击的狂暴轰击时期。从45亿年前到39亿年前，这种轰击非常猛烈；而太阳系中的行星在它们的稳定轨道上就位之后，轰击的频率便下降了，因为行星的大质量和强大引力使飞向地球的物质发生偏转。
关于我们的地球，仍然有一些令人激动的问题在等待我们的探索：地球是怎样从最初的混乱状态演变为今天这样有序的状态的？地球诞生后不久就与一个火星大小的天体发生撞击，这真的是导致地球后续演变的诸多事件的根源吗？在地球的铁核形成之前，太阳风对于地球和它的气候有什么影响？地球上的锆这种元素的来源是什么？最后，我们能够用有关地球的详细知识来研究系外行星吗？
回顾复习问题
1. 是什么提高了星子撞击早期地球的概率？
2. 挥发性物质的定义是什么？
3. 为什么比较轻的元素会从早期地球上逃逸？
4. 地核的热是从哪里来的？
5. 地球的年龄有多大？地球年龄的下限和上限是如何估计的？
6. 解释火星大小的天体碰撞地球造成的一直延续到今天的主要影响。
7. 地球的主要组成成分是什么？
8. 描述分异过程。
9. 描述地球的几个不同的层以及每一层的特点。为什么这些层位于它们所在的地方？
10. 地磁场是怎么产生的？
参考文献
Bennett, J., and S. Shostak. 2006. Life in the Universe. 2nd ed. Boston: Pearson/Addison-Wesley.
Marshak, S. 2012. Earth: Portrait of a Planet. 4th ed. New York: Norton.
Jordan T.H., and J. Grotzinger. 2012. The Essential Earth. 2nd ed. New York: Freeman.
Wood, J.A. 1979. The Solar System. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall.