第1章 动感天地.doc

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第一章 动感天地
The Dynamic Universe

【本章要点】
1 宇宙、地球与生命都在不断变化发展中；
2 地球上适合生命存在和发展的环境是生命活动的结果，环境演变与生命进化互为因果。尊重环境就是尊重生命。
【本章内容】
第一节 动感宇宙
第二节 动感地球
第三节 动感地壳
第四节 动感生命

第一节 动感宇宙
The Dynamic Cosmos

什么是宇宙？
l 《淮南子∙原道训》“四方上下曰宇，古往今来曰宙，以喻天地”。宇宙就是天地万物和时间的总称。
l 《Longman》: Universe — All space and the matter which exists in it. Cosmos — The whole universe considered as an ordered system.
l 观测到的宇宙 — 即总星系，是肉眼和仪器所观测到的整个宇宙空间及存在的各种天体、弥漫物质的总称。其边界就是探测工具的极限，即200亿光年，包含10亿个以上的星系。
l 物理宇宙 — 物理现象上进行解释的宇宙，空间上无边无缘，时间上无始无终，大部分为人们观测所不及。

（一）宇宙起源研究新进展
1. 新发现与新学说
l 手段的改进 — 天文望远镜、光谱分析技术
l 新现象的发现 — 红移现象与多普勒效应。哈勃定律 — 河外星系视向退行速度与距离成正比，即距离愈远，退行速度愈大。（1929年哈勃发现）
l 新假说/新理论的产生 — 从“大爆炸”(Big Bang) 到“超级弹簧”(Super Spring)
l 新假说解释了目前所观测到的天文现象
－任何天体年龄都小于200亿年，因为所有恒星都是大爆炸温度下降以后形成的
－河外天体系统性的谱线红移
－宇宙中He的丰度很高—它是大爆炸极高温的产物
－大爆炸理论推算出，宇宙温度只有几个K，1965年在微波波段测得宇宙温度为3K，完全证实了该理论
l 大爆炸的结局：两种可能性 — 闭合的宇宙和开放的宇宙

（二）观测到的宇宙和银河系
1. 观测到的宇宙
l 1000亿个天河系（银河系）
l 每个天河系有1500～2000亿颗恒星（太阳）
l 恒星数目：1000亿 x 2000亿 ＝2 x 1022颗
l 每个恒星又有若干个行星（地球）
l 宇宙中的地球——沧海一粟；人类历史——千古一瞬
（前不见古人，后不见来者。念天地之悠悠，独怆然而涕下。）
2. 银河系
l 形状：俯视、侧视
l 大小 — 半径50000光年，厚度3000～20000光年
l 太阳系的位置 — 距银核30000光年
3. 太阳系
l 诞生：50亿年，寿命：约100亿年
l 9大行星：水金地火（小）木土天海冥（唯独金星逆向自转）
l 共有49颗卫星
l 众多的小行星（火木之间）
l 彗星
l 边界：87a.u.（冥王星轨道）～6-8万a.u.（彗星轨道）
※－a.u. = astronomical unit, 天文单位
4. 对地球的影响
l 能量: 地表面来自宇宙的辐射——相当于来自太阳的1/1亿
来自地球内部的热量——相当于来自太阳的1/2万
可见，太阳是主要的能源
l 引力：主要来自太阳和月球，
对固体地球 — 引起固体潮
对海洋 — 引起潮汐
对大气 — 引起气体潮
l 物质：陨石
l 其他粒子：荷电粒子、粒子流、射线

第二节 动感地球
The Dynamic Earth

（一） 地球形成与演化
l 原始地球——炽热的火球－50～70亿年（aBP）
l 固体地壳形成－46亿年
l 最古老的岩石－30～40亿年
l 最早的生命－30～33亿年
（二）日地关系
日地距离1.5×108km，定义为一个天文单位。是离地球最近的恒星，所有天体中太阳对地球影响最大：
l 根本的能源
－表面温度5497℃，总输出能量3.86×1026J/s,相当于5×1023马力
－光线到达地球的时间8.3分钟
－直射大气层顶的能量为8.24J（1.97cal）·cm－2·min－1,称为太阳常数，进入大气层后，1/3被大气吸收或反射，其余5.86J(1.4cal) ·cm－2.min－1，维持着地球的生命系统
l 强大的磁场：平均磁场强度为地球磁场的100倍（最强部分为20万倍），稍有起伏就会干扰地磁场。与太阳黑子活动有关，有时会产生磁暴，干扰通讯和输电。
l 强大的射线：黑子（比周围低1000℃）－耀斑－UV、X射线突然增强－高层大气分子电离增加－短波通讯干扰（案例：1982.4.14. 14:20中断近1小时）。太阳黑子活动周期约为11年，与许多地理现象有关（严冬、地震、疾病流行等）

（三）地球的地理特征
1. 几何参数（形状和大小）
l 旋转的椭球体(伍光和P.12)
l 长半轴a = 6378.160 km, 短半轴b = 6356.755 km, 平均半径6371 km。
扁率[(a-b)/a]约为1/298.25，近于正球体。
l 意义：纬向热量带——气候、土壤、植被等的地带性
l 平均密度5.5 g/cm3
l 质量5.976 x 1021 t [(约6000Et)，E-Exa艾=1018]
2. 运动：自转和公转
l 公转 — 绕日运行
l 方向：从北极俯视 — 逆时针，即从西向东转
l 轨道形状：椭圆形，但偏心率很小，近圆形。该轨道称为黄道
l 周期：一年
l 恒星年：太阳在天球上连续两次通过某一恒星所需的时间间隔，为365.25636 平太阳日，即365日6时9分9.7秒
l 回归年：以春分点为参考点，太阳在天球上连续两次通过春分点所需的时间间隔，其长度为365.24220平太阳日，即比恒星日短20分24秒
l 公转的地理意义
－地轴倾斜与黄赤交角＋公转，产生地理效应 — 季节变化和昼夜长短变化（P.18
图1－11）
－二分二至与四季划分
－极昼与极夜
l 自转：地球绕地轴的旋转，周期为一日(恒星日与太阳日,P.14)
l 自转的地理意义
－产生昼夜更替－使地表过程多具有昼夜节律（节奏），如气温、气压、蒸发、冷凝、生物活动等
－不同经线上具有不同的时间－昼半球、夜半球、晨昏圈、时区(自学P.15～16)
－产生科氏力－对气团、气流、洋流、河流等运动的影响
－产生潮汐波－与地球自转方向(W E)相反(E W)，对自转有减速作用
3. 地球结构的基本特征——分圈性（分层性）：分成物理、化学性质各不相同的一系列圈层，称为地圈
l 地圈分布的两种情况：
－上下成层——如高空与地球内部，每层内部物理、化学性质较均一，过程较简单
－相互重叠、相互渗透——如地球表层，各圈层相互渗透，甚至相互重叠，发生的过程较复杂多样
l 从外向内：
－超外圈——地球外部磁场，远超过大气最外层的界限，从600～1000 km至1000个地球半径。作用：防护地球免受太阳风（电离辐射）的影响
－外圈——即大气圈，质量5.3×1018kg，占地球质量的百万分一，无明确上界，但15km以内占总质量的99%，50km以内占99.9%,作用：地球的保护伞
－地球表层——，又称地理圈或地理壳，包括大气圈下层、水圈、生物圈、岩石圈和人类圈，各圈层相互渗透、相互重叠。是地理过程发生的场所，地理学、环境学等学科的研究对象
－内圈——在地球表层以下，包括地壳、地幔和地核

4. 地球的外部轮廓
l 水半球与陆半球
－地球表面积：5.1×108km2 （5亿1）
－海洋面积 ：3.61×108km2,占70.9% （71%）
－陆地面积 ：1.49×108km2,占29.1% （29%） （1亿5）
－海陆面积比：2.4 : 1
－水半球：以新西兰东角为中心的半球，海洋面积占90.5%（全球海洋面积的63%）
－陆半球：以法国西部南特为中心的半球，陆地面积占47.3%（全球陆地的81%集中在该半球）
－任何半球（水半球、陆半球，南半球、北半球，东半球、西半球），海洋面积均大于陆地
l 海陆分布对蹠的现象：以四个古老大陆（北欧的芬诺斯堪的纳维亚、北美的加拿大、北亚的安加拉和南极）为顶角构成一个四面体，顶角对应的面分别为太平洋、印度洋、大西洋和北冰洋。大陆任一点的对蹠点为海洋的几率是95%.随机性表现。
（蹠：同跖zhi2，antipodal，恰恰相反，地球上正相反的，亦称对踵）
l 成双成对的大陆：除南极大陆外，其它六个大陆——亚洲和澳大利亚、欧洲和非洲、北美洲和南美洲——都被大陆断裂带南北分开。每对大陆组成一个大陆瓣，在北极会合，形成大陆星
l 海陆起伏曲线：根据等高线和等深线，计算各高度陆地面积和各深度海洋面积所占全球面积的百分数，绘制成的曲线。
－大陆平均海拔875 m，海洋平均深度3800 m
－大陆架（大陆棚）(continental) shelf 大陆坡continental slope/slope rise深海台地abyssal plain 海沟oceanic trench

第三节 动感地壳
The Dynamic Crust
a) 物质组成
i. 化学成分
1. 周期表108种元素，地壳92种，同位素300余种
2. 克拉克值——地壳元素平均重量百分比，即元素丰度
3. 八大元素占98％——O Si Al Fe Ca Na Mg K
其中Ｏ占重量46％，体积98％(其他原子“充填”在O原子的空隙中)
ii. 造岩矿物
1. 3000余种，硅酸盐（重量75％）和其他含氧盐（17％）各占1/3，其余1/3为氧化物、氢氧化物、硫化物及硫酸盐、卤化物与单质（8％）
iii. 岩石类型
1. 7种主要造岩矿物：石英 钾长石 斜长石 黑云母 闪石 辉石 橄榄石
2. 岩石——造岩矿物按一定比例和结构结合而成的地质形成物。按成因可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。
3. 岩浆岩——由岩浆冷凝形成的岩石。岩浆中含硅酸盐、金属硫化物、氧化物和挥发性气体，沿裂隙上升侵入地壳，逐渐冷凝结晶－侵入岩；喷出地面迅速冷凝－火山岩/喷出岩
－最常见的岩浆岩（由上述7种主要造岩矿物形成）：
深成 —— 喷出
花岗岩——流纹岩
闪长岩——安山岩
辉长岩——玄武岩
橄榄岩
－主要特征：结晶构造、金属矿、雄伟地形、良好建材等
4. 沉积岩——成层堆积于陆地或海洋中的碎屑、胶体和有机物等疏松物质固结而成的岩石。
－物质来源：先成岩石风化产物、火山喷发沉降物、生物有机体、宇宙尘等
－成岩作用包括压固、胶结、重结晶和新矿物生成等作用
－组成矿物：长石、石英，其次为硅酸盐粘土矿物、碳酸盐类矿物与褐铁矿
－主要特征：层状构造（层理）、次生矿物、化石埋藏、能源基地、旖旎风光等
5. 主要类型
§碎屑岩类：母岩风化成碎屑－搬运－堆积－胶结成岩。按碎屑大小分为：
－1砾岩与角砾岩：碎屑较大，经长途/短途搬运而磨圆/未磨圆；
－2砂岩:按砂粒粒径大小细分为——粗砂岩2～0.5mm,
中粒砂岩0.5～0.25mm，
细砂岩0.25～。
按沙粒矿物成分：石英砂岩、长石砂岩、杂砂岩等；
按胶结物分为：钙质胶结的、硅质胶结的、铁质胶结的等；
－命名举例：钙质胶结的中粒石英砂岩、钙质粗粒长石石英砂岩……
－3粉沙岩：0.05mm以下，石英＋少量长石和白云母。
§黏土岩类：黏土矿物和其他细粒物质组成。
－固结好无层理者－泥岩；
有良好层理者－页岩（钙质页岩、铁质页岩、碳质页岩、油页岩）
－固结差－黏土。
§生物化学岩类：化学成因/生物化学成因
－硅质岩：A硅质生物骨骼堆积而成，如硅藻土和放射虫硅质岩等；
B海底热泉或海底火山分泌的SiO2凝聚而成（碧玉、玛瑙、硅华），
－石灰岩：海底碳酸钙沉积、动物介壳骨骼等，方解石，泡沸反应－喀斯特地貌。
－白云岩：白云石，无泡沸反应
6. 变质岩——变质作用形成的岩石。变质作用：固态原岩因温度、压力和化学作用导致其矿物成分、化学结构与岩石构造发生变化的总和。
§主要特征－大多具结晶构造、定向构造（片理、片麻理等），除原有造岩矿物外，还含有变质作用产生的特征变质矿物，如红柱石、蓝晶石等。
§常见的变质岩：
变质岩 原岩
千枚岩 黏土岩、粉沙岩
板岩 页岩
片麻岩 花岗岩

7. 岩浆岩—占地壳质量的95% 页岩4%
地壳的岩石组成 沉积岩—占地壳质量的5% 砂岩0.75%
变质岩—少量 灰岩0.25%
沉积岩－75%
l 地表出露岩石 岩浆岩－25%
变质岩－少量

矿物 粗粒深成 细粒或玻璃质
侵入岩 喷出岩
石英 （基岩、岩床）
二氧化硅
深
深 钾长石 花岗岩 流纹岩 成
成 铝、钠、钾 岩
矿 的硅酸盐
物
斜长石 闪长岩 安山岩
铝、钠、钾
的硅酸盐

黑云母
含铁锰的
铝硅酸盐

铁 闪石组 铁锰
镁 （角闪石） 质岩
质
矿 辉石 辉长岩 玄武岩
物 （普通辉石）

橄榄石 橄榄岩 超铁
镁和铁的硅酸盐 锰岩
硅酸盐矿物和岩浆岩。图中仅列出最重要的硅酸盐矿物组，以及7种常见岩浆岩类型。

b) 地质构造
定义：岩层或岩体因构造运动而发生的变形或变位。应力－压应力、张应力、扭应力。统称地应力。层状岩石受地应力作用，常产生以下几种地质构造。
i. 水平构造
岩层经构造运动仍保持近似水平产状者。
ii. 倾斜构造
iii. 褶皱构造
iv. 断裂构造
三、板块运动
（一）地质年代
1. 相对年代和绝对年代
相对年代－根据不同地层上下的关系与古生物化石判断地层的新老关系，从而大体确定地层形成的年代。先把地质历史分为隐生宇和显生宇两大阶段，再细分为代、纪、世等时代。与上述各时代相应的地层单位分别为宙、界、系、统。
2．地质年代表
（二）板块运动
1． 大陆漂移说－洋底扩张说－板块构造说

2． 板块运动几种形式

第四节 动感生命
The Dynamic Life
一、
l 46亿年前，地球轮廓基本形成。原始大气：H2, CH4, NH3，H2O——还原性大气圈。地表冷却排出CO, CO2和水蒸气等——排气作用。
l 排气引起的“流体化”作用，可能使H2和CO生成有机化合物，如脂肪族、芳香族和异戊二醇等（实验证明）。
l 38亿年前，出现了水，有最古老的沉积岩为证。太空降水说
连续几千年的大雨，原始海洋和沉积岩的形成，地壳冷却。
二、生命
l 海洋中原始生命的诞生：实验与假说
—化学起源说：“生命的起源必然是通过化学的途径实现的”（恩格斯）。1928年维勒用氰酸铵合成尿素；1953年米勒和尤里合成氨基酸的著名实验。
—简单氨基酸组合成酶、酶组合成生命的困难。
—宇宙起源说：从阿伦纽斯到霍伊尔The Intelligent Universe
l 生命的进化
—30亿年前，南非岩石中的原始细菌化石。据此推断生命起源于40亿年前；
—20亿年前，进化的原始细菌化石（加州），光合作用，含氧大气圈开始形成；
—10亿年前，河口大量海藻繁殖，释放大量氧气；
—7亿年前，最早的多细胞生物蠕节虫化石；
—5.7亿年前，寒武纪，开始了化石记录的时代。三叶虫与 腕足类为主，并发现脊椎 动物被囊虫化石；第一次海侵
—奥陶纪（距今5.0-4.4亿年）三叶虫锐减，腕足类增加，出现空气呼吸的脊椎动物七鳃鳗和八目鳗；
—志留纪（距今4.4-4.0亿年）出现珊瑚礁；生命登陆，陆生的顶囊蕨植物化石；
—泥盆纪（距今4.0-3.5亿年）蕨类成为森林；出现无翅和有翅昆虫；脊椎动物分化为鱼类(有鳃和鳞片)与似两栖类；
—石炭纪（距今3.5-2.8亿年）第二次海侵；森林掩埋，形成大煤田；爬行类出现；
—二叠纪（距今2.8-2.3亿年）恐龙初现，小个体；第一次物种灭绝（两栖类、爬行类、苔藓虫、棘皮动物、菊石、 腕足类等）；
—三叠纪（距今2.3-1.9亿年）出现针叶林；恐龙较大；菊石、笔石恢复；大陆漂移开始；哺乳类出现；
—侏罗纪（距今1.9-1.4亿年）恐龙时代；哺乳类发育完善；鸟类出现；大煤田形成。
—白垩纪（距今1.4-0.65亿年）第三次海侵，白垩岩沉积；陆地有花植物出现；灵长类、有袋类出现；恐龙灭绝（第 二次物种灭绝）；
—第三纪（距今6500万年）哺乳类占统治地位和大型化； 灵长类发育了对立的拇指和前视的眼睛；草本植物广布；
—第四纪（距今200万年）人类出现；冰期往复；黄土生成。
l 地球生命史大事记

三、人类进化
l 第四纪，地球史最近的200万年(300万)年，以人类出现为特征。
l 人类的特征不在于使用工具和制作工具，而在于制作定型的工具。
l 从南猿－能人(250-150万年前)－直立人－北京人－现代人，经历了制造定型工具、用火、集体狩猎、产生语言(原始社会)、学会养殖耕种(农业社会)，最近二三百年发生工业革命(工业社会)。
l 生命史与文明史的环境学意义：
－地球生命史与文明史必然性后面巨大的偶然性；
－环境、生命与人类历来处在不断的变化之中；
－环境与生命的演化有加速的趋势；
－人类文明的进步以资源和环境为代价，PRED的辩证关系。

专栏1－2 盖娅假说Gaia Hypothesis
为英国学者拉甫洛克（James Lovelock）所提出。盖娅是希腊神话中的女神——大地母亲。假说的核心是认为地球上适合生物生存繁衍的环境是生命进化过程中创造出来的。例如，有些学者认为，浮游在海洋水面上的单细胞植物有效地控制着大气圈二氧化碳的含量，因此显著地控制着全球气候。他们认为地球就像一个具有自我维护能力的巨大的有机体。
拉甫洛克认为，地球有生命的想法可能和整个人类一样古老。1785年赫顿（James Hutton）就认为地球是一个超级生物，并把从土壤和岩石中的养分在江河中的循环比喻作动物血液的循环。江河就是地球的动脉和静脉，森林是地球之肺，而海洋是地球的心脏。
盖娅假说包括几个层次。第一，认为生命对行星地球有着巨大影响。对此，学者间并无多大争论。第二，断言生命对环境影响朝着对生命有利的方向进行。有证据表明，正是由于生命的作用，使地球的气温既不太热也不太冷。第三，认为生命有意识地控制着地球环境。对此，多数学者不接受这种观点，相反，多数人认为在海洋和大气圈起作用的正、负反馈系统足以解释生命对环境影响的种种机制。
在地球人口超过60亿的今天，这个假说的提出适逢其时。因为人们已经觉悟到我们的生活方式和行为正在对全球环境起着越来越巨大的影响，当代人的生活方式和行为有可能决定地球环境的未来。

复习思考题

1. 为什么说宇宙有大小，又说宇宙是无穷无尽的？
2. 什么是“大爆炸”理论？主要依据是什么？
3. “大爆炸”理论解释了哪些天文现象？
4. 太阳系的范围有多大？
5. 太阳对地球有哪些影响？
6. 写出地球主要几何参数的近似值：平均半径、扁率、平均密度、平均质量。
7. 写出地球公转的定义、方向、轨道形状和周期。
8. 试述地球公转的地理意义。
9. 试述地球自转的地理意义。
10. 北京的经度约为东经116度，亚特兰大约为西经86度，1996年奥运会时，两地的时差是多少？（提示：美国实行夏时制）
11. 什么是地圈？一般分为哪几个圈层？
12. 陆半球中陆地的面积比海洋大，这种说法对吗？
13. 什么是海陆分别的对蹠现象？