早期高速自转的地球

地学演绎 莫如波 2003.1.2

  最近天文学家在银河系发现了120亿岁的古老恒星,说明银河系的年龄比原先估计的100~110亿岁还要大;约46亿年前,银河系中一团低温旋转的星云尘埃,受到超新星爆炸冲击的影响,在引力及自重作用下,向中心"塌陷",形成古太阳,留下1.3‰的尘埃和气体继续旋转,经过碰撞结合的“滚雪球”过程,在大约1亿年时间里形成太阳系的行星及其卫星。最新的模拟显示,地球的金属核心可能是在超新星爆发后2~3千万年间就已形成。原始地球还是一个冷的近于均质的球体,过程随着体积和质量的增大,块体碰撞的熔融作用、地球的收缩放热、内部放射性元素的蜕变释热,导致物质熔化,长期的重力分异作用使地核、地幔、地壳逐渐分层形成。同时在地球形成后的最初期,一颗火星大小的行星以40度左右斜刺着与地球发生猛烈的碰撞,大量的岩石蒸汽和颗粒被抛入空中围绕地球运行,逐渐冷却后聚合成了月球。碰撞使得地球旋转,旋转速度比现在快得多,那时一天大概只有5个小时。

  根据与月球早期演化的对比推测,45.6~41亿年前,地壳熔融渐至地球内部发生熔浆作用(地球的熔融作用是由表入里还是由内及外有待探索),为地核、地幔、地壳圈层分化期;约在41~39亿年前有一个小天体轰击期,早期形成的大气圈、水圈可能被轰击进入了太空;同时还可能是一个由撞击而引起的基性岩浆溢流期,甚至导致原始地壳被玄武岩吞噬;38~25亿年前为强烈的岩浆作用和火山喷发期,为海洋形成期和陆壳生长期。原始地壳为薄而脆弱的玄武岩圈(硅镁层),约35亿年开始出现硅铝层,距今25亿年前海水的体积已颇具规模。

  早期地球的自转速率比现在快得多,40亿年前地球的一天可能只有8小时,9亿年前也只有18小时,再由于熔浆作用强烈,早期地球的地幔对流、地壳的岩浆作用、火山作用及地球壳层的运动要比现在强得多。强烈的岩浆作用和火山作用使更多CO2、H2O等温室气体进入大气层,地球表层气温要比现在高,并由此推测,那时就算太阳系位于近银心点附近运行,地球也仅能形成相对的寒冷期而形成不了大冰期,这也是很难找到年龄大于10亿年冰碛层的原因之一。

  由于气体分子的运动速度与地球逃逸速度的关系,大气圈的形成及组份特征与地球的引力及温度有密切关系。在约46亿年前的最早期,大气圈可能比较稀薄,主要由H、He等元素组成,但不稳定,存在时间并不长。太古宙早期的大气缺氧,以CO
2、H2O为主,其次为酸性气体,温室效应使当时的大气层热雨频繁,到了太古宙末期大气中的氧气也仅占5.5%左右,其形成可能与上层大气中的H2O受紫外线照射分解有关。进入元古宙,大气层中CO2减少并进入水体,在形成大量的碳酸盐岩的过程释放出氧气(?);同时,由于水中光合植物(如蓝藻、绿藻)的逐渐增加,氧的生产量就越来越多,较多的氧气在元古宙进入大气圈,到元古宙末期大气中氧含量达12%。(-中国地大《地球科学概论》)

  许多学者对地球表面温度的变化趋势和历史进行了研究,Knaut和Epstein(1976)估计地表年均温在太古宙约为70℃,元古宙晚期约为52℃(可能代表某个高温时期的,新元古代大冰期时应该没有那么高),古生代末约为20℃,中生代约为35℃,现在为15℃。太古宙早期大气压是现在的几十倍,水的沸点达到200多摄氏度(-中国地大《地球科学概论》)。当然,地球历史上的气温变化还受越来越强的太阳热量输出的影响,地球绕日轨道半径的变化也许也是个因素(未见相关论述)。

仅根据太阳热量输出推算到的地表平均气温

距今亿年前(+)、后(-)+45+30+15第三纪末-6.0-9.2-10.4
太阳热量输出(现在为1)0.850.921.001.091.151.201.26
地表气温 (℃)-17+5+15+22+26+30+34

参考文献:

[1].中国地质大学(北京)《地球科学概论》教学组.地球科学概论.第十二章 地球的起源与演化.1999.2
[2].武汉电视台科教片《我们的宇宙-美丽的地球、壮阔的太阳》解说词

  相 关 讨 论(推理、推测)

几个要点:①.从地球形成过程的星云碎块撞击能量判断,通过“滚雪球”形成的初期地球是一个相对内冷外热的均质体,当积集的质量足够大时,引力就能截留住释放出来的水蒸汽,地表岩浆冷却后便可形成早期的海洋;②.地球磁场强度与液态地核及地球自转速率有关,磁场强度与重力分异、壳幔核分层、大陆地壳的生长有同步关系,活动高峰期大概在38~20亿年前;③.发生在大约39.5亿年前的陨星大轰炸是一次过事件,小陨星撞击引起火星壳(或地壳)半熔,形成保存较完好的密集的陨击坑,大陨星撞击则炸成岩浆海并形成低地平原,之后陨击稀少;④.地核自转角速度快于地壳、地幔,应与月球、太阳对地起潮力(刹车片)有关,但地磁场会发生极性倒转现象,地磁场的产生应与这种壳、核速率差无关;⑤.具有浓厚大气层是大轰炸前火星海洋存在的前提,大轰炸后火星便成了一个冰冷的星球,后来的流水地貌多形成于火星岩浆或陨星撞击对地下冰层的融化。(2014/10/3)

由最近新闻数据拼合的早期地球印象:45.6亿年前原始地球形成,45.3亿年前由小行星撞击地球形成月球;早期地球的自转速率及月球起潮力要比现在大得多,推测早期地壳运动及岩浆活动要强很多,海浪对海岸的侵蚀及夷平能力要比现在强得多;锆石结晶需要低温环境,澳洲43亿年前古老锆石的发现说明当时已有地表水存在;早期大气CO2浓度非常高,降雨及地表水呈较强的酸性并有较强的侵蚀性;最早期地球是个近于均质的球体,还没有液态地核,也没有地磁场,后来液态地核才从小变大,地磁场的出现晚于39亿年前,32亿年前磁场强度大概也只有现在的一半,到了20亿年前地核都还较小;大约39.5亿年前发生过一场陨星“后期重型轰击”事件,火星、月球的陨击坑大多都形成于这次轰击,当时地球、火星、月球表面到处都是陨击坑及熔浆海,轰击期大约在38亿年前结束;之后,放射性元素蜕变释热,岩浆作用及重力分异作用进一步增强,月球岩浆活动大约延至25亿年前,而火星因火山喷发造就了大气温室效应,大约20亿年前还出现液态地表水,可推测早于20亿年前,地球的岩浆活动应比现在强得多,有认为38~25亿年前为强烈的岩浆作用及火山喷发期,同时亦为陆壳生长期;大约36亿年前出现藻类,27(或29)亿年前出现氧气,20(或23)亿年前出现氧化事件。(2008/12/6)

火星北部低地平原很可能形成于原始陨星大撞击产生的玄武质熔浆海:欧洲的火星快车探测表明,组成火星北部低地平原的岩石是火山岩(火成岩)而非冰层冻土类沉积(岩)。据此推断:火星南半球大大小小密集的陨击坑北部火成岩低地平原应形成于大约39.5亿年前的陨星大轰炸事件,较小的轰击使南半球火星壳半熔,形成及保留了较完整的密集的陨击坑,大的撞击使北半球变成一片熔浆海,几乎所有的陨击坑均被岩浆淹没、抹平,并形成低地平原;同时推断,太阳系遭受陨星撞击基本算是一次过的,之后形成的陨击坑很少,火星北部只有稀稀拉拉的几个,地球及月球亦应如此,因此,不应把大轰击现象无限延续化、延伸化。(2006/12/16)

从胚胎地球到幼年地球 早期的"滚雪球"过程,由于引力尚小,星云碎块块头也小,块体撞击能量小,形成的初始核温度较低;后期,尤其是象产生月球这样的大碰撞,地壳被炸出了片片熔浆海,地球在刚形成时是内冷外热。也许用不到1亿年,地球已把轨道上的"流浪块体"全部收入"囊中"。约44亿前,小天体撞击已少得多,地表开始冷却,那时,大气CO2浓度也许是现今的上千倍,地表或有3、4百个大气压,气温在200℃以上,水的沸点可上300℃,地球表面是个高压锅式沸腾的海洋。因放射性元素的衰变释热,地球内部逐渐熔化并产生重力分异,约在40亿年前,液态地核基本形成,地球磁场出现。39.5亿年前,遭受小天体撞击,部分海水被炸入太空,地壳玄武岩浆泛溢。38~36亿年前,因高速自转及壳幔熔浆的高度分异,岩浆活动及火山喷发异常猛烈,海水得到补充。(2006/5/5)

从火星到地球 火星推演:46~40亿年前,由于块体撞击、星体收缩及放射性元素蜕变等热力作用,火星内部岩石逐渐熔化,受重力作用,火星核、幔、壳分异逐渐形成,水蒸气及CO2温室气体的释放使火星表面潮湿温暖,表面多为海洋所覆盖。火星水源首先来自于内部温度及压力的升高,封闭于岩石孔隙中水份及矿物结晶水的释放。初期大气CO2浓度非常高,导致海水呈较强的酸性,其溶矿能力强,含盐度高。由于内部的释水快于水份向太空挥发,火星上的海洋得以维持。到了大约39.5亿年前,小天体轰击事件使火星表面陨击坑密布(如南半球高地区域),原始海水大部分被轰入太空,残留海水汇于火星北半球低地区域;由于水蒸气及CO2温室气体的耗失,气温骤降,残留的海洋因结冰而不断萎缩。由于放射性元素蜕变使火星内部温度持续升高,重力分异作用进一步增强并向浅层火星壳发展,到了39~35亿年前,火山活动最为活跃(如奥林匹斯及三斑火山等),熔浆对地下冰层的融化曾使火星表面洪水泛滥,在低洼地段汇集成湖,岩浆及喷出物夹带的硫磺溶入水中形成酸性水,水对岩石中铁元素的溶解及氧化,导致湖水富含铁离子及硫酸根离子,水份蒸发后,就在低洼地带留下铁的硫酸盐胶结物。35亿年前以后,水体完全消失,气候更加冰冷干燥,仅偶然间随岩浆活动或陨星撞击,冰层融化才有水喷出地表。(存在疑问:若如多国科学家所说,“火星经历过了三个差异明显的时代”,则机遇号着陆点浅坑中的化学沉积物应有35亿年之久,那么,火星沙尘为何不把浅坑中的胶结物给堆埋了?较早前曾有推测,认为奥林匹斯火山及三斑火山的形成仅有几亿年)
  推测早期的地球:最早6亿年,首先是受高压高温的作用,封闭于岩石孔隙中的水份及矿物结晶水被释放,地表大部分为海洋所淹没,海水呈较强的酸性,溶矿能力强,矿化度较现在海水高;39.5亿年前受小天体轰击,部分水被轰击进入太空;39~35亿年前,放射性元素蜕变释热,重力分异作用进一步增强
,熔浆上侵地壳,活动异常猛烈,释放矿物结晶水使轰击损失的海洋得到部分补充。由于源自岩浆的水蒸气等气体富含二氧化硫,加上CO2的大量积集,海水呈酸性,更具腐蚀性,早期海水尚不适合于生物的生存,尤其不利于钙壳及骨骼动物的出现。(2006/4/25)

地球,恰到好处的"水球" 原始星系尘屑含有冰及矿物结构水,行星形成过程释放出巨量的水蒸气。金星由于日光强照,水早被蒸发入太空;火星由于引力小,大气层无法留住更多的水分子;只有初始的地球形成了"水球"。假如没有39亿年前的大轰炸,过多的水将覆没陆地,温室气体富集,空气酷热,海水滚烫;假如那大轰炸来得再猛烈些,将有更多的海水被轰入太空,海洋所剩变小,天地冰冷异常,陆地为冰雪覆盖,海洋将被冻结成一块不大冰海。(2006/4/7)

39亿年前的大轰击,未必能把原始海洋全炸入太空 轰击爆炸,海水多被汽化,不能象岩石那样只要获得了足够的动能就可飞离地球;多数认为,太古宙太阳发光度较现在弱,而地球气温气压则比现在高得多,这说明当时的海洋面积要比现在大。地史上,影响气温的决定性因素是海陆面积的比例,是地球表面反射率及热容量的大小,CO2仅起着某种"杠杆"或"反馈"作用,CO2既是气温变化的因也是气温变化的果。只要洋盆容积增大了,陆地面积变大,大气就会降温,反之,早期地球气温气压高,就说明当时海洋面积大,陆地面积小。也就是说,38~25亿年前可以不存在海洋面积的逐渐增大过程,相反,期间气温逐渐降低所反映的是陆地面积在不断地扩大;海水体积在地球刚形成时已颇具规模,而后来由岩浆喷发所形成的海水增量可能并不是很多。(2006/4/4)

对最早5、6亿年地球的不同看法 一种认为,原始地球是个相对冷的均质球体,后内部升温熔融并导致圈层分化,约在39亿年前以后才出现地磁场原始大气氢含量较原先认为的要高,大气层温度不是很高锆石的发现说明早期已存在水体甚至是海洋。另一种则认为,块体碰撞使原始地球成为一个熔融球体,在最早的2~3千万年地幔已发生过快速的重力分异,最早期的地表及大气层是个异常酷热的炼狱,尚不存在地表水,海洋可能源自后期的火山喷发或太空彗星。本人曾这样认为,早期地球的排气作用比岩石圈的分异作用容易得多,相对于成陆(壳)来说,释放水蒸气的成海(洋)过程则要快得多,再加上早期地球表面积比现今小,推测早期地球表面绝大部分为海洋,陆地面积较小,如>>>(2006/4/3)

最原始的地球 137亿年前宇宙大爆炸约130亿年前银河系形成45.67亿年前,一场超新星爆发,冲击波使残余气体凝聚成团块,形成太阳、行星及卫星等。在1千万年内,原始地球已聚集了目前质量的64%45.27亿年前小行星撞击,月球形成,地球获高速自转,地月系形成。小行星及块体碰撞使原始地壳处于半熔化状态,后地壳降温,气温下降,44.5~40亿年前大气压及气温甚高,有地表水存在并形成水成岩;地球内部由于撞击积热、收缩放热以及放射性衰变释热,岩石熔融分异导致圈层分化,壳、幔、核形成,39亿年前以后出现地磁场约在39.5亿年前,经历了一个小天体轰击期,早期的大气圈、水圈可能被轰击进入太空,并可能引发过剧烈的基性岩浆喷溢,玄武岩甚至将原始地壳吞噬。38~25亿年前,重力分异作用进一步加强,地磁场强度逐渐增大,32亿年前达到现在的一半,期间岩浆作用和火山喷发强烈,为海洋形成和陆壳生长期,约在36亿年前出现藻类,25亿年前海水体积已颇具规模。
  未知数:最初5、6亿年,圈层分化是继承于内部物质的半熔状态?还是发展于均匀冷质的逐步升温过程?早期半熔,一千摄氏度左右。(2006/3/23)

惊讶的推论 最早期地球大气中氢含量较高,大气逃逸层或仅为300℃(科学网);月球可能含有早期从地球带去的同位素氮,推断39亿年前地球磁场很微弱(科技之光)。由此可进一步推断:早期高速旋转的地球是一个冷质"硬心汉"(没有液态地核),后因逐渐熔融而导致圈层分化,约在36亿年前才转变为一个能孕育生命的"温柔女郎"。(2005/8/7)

《自然》杂志 日本科学家对"阿波罗登月计划"采集到的月壤进行分析,发现14N/15N与太阳风中的比例差别很大,从而断定这些元素还有其他来源。推测月球上的氮可能来自尚未出现磁场的地球:带有能量的粒子被抛向大气,一些带电氮离子进入太空,其中一些在落在月球上。通过一些计算,他们推断在39亿年前,地球磁场要么尚未出现,要么非常微弱。(科技之光)(2005/8/5)