宇宙大爆炸
- 宇宙可观测的范围：直径约930亿光年
- 奥伯斯佯谬：如果宇宙是无限稳态的，夜晚的天空会像白天一样明亮
- 解释1：因为宇宙有黑暗星体、尘埃和气体阻隔；但这些最终会加热并发出自己的光
- 解释2：宇宙是有限的；但这样宇宙会坍塌，边缘星体会被拉向内部
- 猜想：宇宙大爆炸模型：模型是有限的，正在膨胀的；可以解释奥伯斯佯谬
- 电磁辐射——波粒二象性
- 电磁波的能量传输：波有特定波长，与频率成反比
- 辐射表现为光子流：能量是
，短波能量高
- 元素的特征谱线
- 元素电子跃迁会吸收或释放特定波长的光
- 恒星会发出不同的（连续）波长的电磁辐射
- 恒星外层大气中低温气体吸收特定光子，导致光谱产生吸收谱线（暗谱线）
- 通过特征谱线，可以判定是什么元素
- 通过光的强度，可以计算出该元素的浓度
- 通过太阳光可以探测太阳光球层的成分
- 红移
- 其他星系的光谱也有暗谱线
- 这些光谱的暗线的相对分布类似，说明各星系含有的元素一样
- 越远的星系，暗线整体红移，说明越远的星系以越大的速度远离我们（多普勒效应）
- 证明了宇宙正在膨胀
- 测量星体和地球的距离
- 三角测量法：只适合测量星系中近距离的天体，不适合确定宇宙的膨胀
- 标准烛光法：距离越远，能力越分散，亮度越低
- 大小和亮度法：测量最遥远的天体
- 哈勃定律：
- H是哈勃常数，也是宇宙年龄的倒数。因为宇宙大爆炸时速度快的星体，现在离我们会更远。
- 所有的星体都在远离不代表我们是宇宙的中心，因为远离是相对的位置关系
- 速度可以由红移确定，距离由标准烛光法和星系大小确定
- 计算出哈勃常数，从而得到宇宙的年龄为137亿年
- 宇宙大爆炸的证据
- 星系的光谱红移
- 宇宙背景辐射（黑体辐射）
- 宇宙中的H/He比值
- 黑体辐射
- 黑体指的是入射电磁波吸收率100%，但仍要对外辐射
- 宇宙各方向有强度不变的背景微波辐射，大约是3K
- 宇宙的组成：73%的暗能量、23%的暗物质、4%的原子
元素起源
- 地球陆壳元素丰度排序：O、Si、Al、Fe、Ca
- 地球上元素丰度排序：Fe、O、Si、Mg、S、Ni、Ca、Al
- 太阳中元素丰度排序：H、He、O（Fe含量不低）
- 原子结构：原子核、质子、中子、电子
- 质量看原子核
- 大小看电子云大小
- 上标质量数，下标质子数
- 四种基本力： 引力、电磁力、弱力、强力。
- 强力和电磁力使原子稳定。
- 核素表的稳定带：强力可以把原子核的质子和中子稳定结合在一起
- 核素表不稳定的区域会发生核反应，例如电子捕获把质子变中子、
衰变把中子转化为质子和电子、 衰变放出He、裂变等
- 同位素：质子数相同
- 同重核素：质量数相同
- 质能方程：
- 质量陷阱：没有质量数是5和8的核素
- 宇宙大爆炸形成了大部分氢氦，和少量锂铍硼
- 宇宙中的H/He质量比约为2.5
- H和He占宇宙物质质量的99%以上
- 核聚变只能到56Fe
- 结合能最高点，在此前放热，此后吸热
- 更重的核素形成靠的是超新星爆发
- 星系中元素的分布也受超新星爆发影响
- 恒星越大，合成元素越多，恒星寿命越短；太阳是质量小的恒星，可以由很多元素组成但不形成重元素。
- r-过程：快中子捕获
- s-过程：慢中子捕获
- p-过程：如质子捕获
- 这些过程的证据
- 恒星燃烧的唯一能量来源
- 超新星爆发已被观测
- 元素相对丰度计算与观测结果相对应
- 超新星爆发遗迹中观察到锝的吸收线
- 太阳系物质中短寿期放射性核素证据
矿物和有机分子形成
- 稳定分子形成的条件
- 原子的电子层排满达到电荷平衡（离子键、共价键）
- 原子间结合大小适宜
- 分子大小
- 电子层多的原子大
- 同电子层的原子，正电荷数越大，原子越小
- 阴离子比阳离子大
- 矿物结构取决于阴离子排列方式和阳离子如何填充到阴离子之间
- 两类分子：无机和有机
- 无机分子构成大多数行星物质，形成矿物
- 矿物是固态的天然无机物，有对称结构
- 有机分子含有C-H键
- 矿物对宜居性很重要
- 地球化学亲和力对物质分类
- 亲气：H、He、N、惰性气体
- 亲石：碱金属、碱土金属、卤族元素、B、O、Al、Si、Ti、Cr、Mn等
- 亲铜：Cu、Zn、Ga、Ag、Cd、Pb等
- 亲铁：Fe、Co、Ni等
- 硅氧四面体
- 岛装硅酸盐：橄榄石(
) - 单链硅酸盐：辉石(
) - 双链硅酸盐：角闪石(有
) - 层状硅酸盐：云母(有
) - 架状硅酸盐：长石(
)、石英（ ）
- 岛装硅酸盐：橄榄石(
- 矿物的密度
- 密度决定于原子核粒子平均数和原子排列的紧密程度
- 通过密度可以推测化学组成
- 月球岩浆洋的分异因为斜长石密度差异
- 物质的状态：固、液、气、等离子
- 矿物的密度和挥发性对行星形成很重要
- 行星内部圈层结构
- 太阳系内物质的分布
- 与生命有关的四种有机分子：碳水化合物、脂肪、蛋白质、核酸
太阳系起源
- 太阳和地球的年龄：45.6亿年
- 八（九）大行星：水、金、地、火、木、土、天王、海王、（冥王）
- 太阳系的规律
- 所有行星都接近黄道面
- 公转方向相同
- 金星自转方向是和其他七大行星反的
- 波得定律：行星离太阳的距离大约是前一行星距离的1.7倍——预言了天王星和谷神星轨道位置
- 内行星比较小，外行星比较大
- 行星质量排序：木、土、海王、天王、地、金、火、水
- 行星密度：地、水、金、火、海王、木、天王、土
- 碳质球粒陨石和太阳有着相似的化学成分
- 球粒陨石和地球有相同的年龄，主要金属元素是Mg、Si、Fe
- 太阳系物质组成
- 外太阳系行星主要是冰和气体
- 内太阳系行星主要是岩石和金属
- 分子的挥发性差异，距离太阳越远，温度越低
- 内太阳系行星主要是普通球粒陨石，相比于碳质球粒陨石亏挥发性元素
- 太阳、球粒陨石元素相对丰度受控于
- 元素在太阳系中的丰度
- 分子的挥发性
- K/U比
- K挥发性比U大，其他性质类似，因此可以衡量挥发性
- 越远离太阳，比值越大
- 月球K/U比非常小（比内太阳系行星小），因为月球是大撞击过程形成，丢失了挥发性元素
- 类地行星：水星、金星、地球、火星
- 类木行星：木星、土星、海王星
- 太阳系起源小节
- 短寿命的超新星生成并分散各种元素
- 在星云中形成有机无机分子
- 长寿的太阳系在这些恒星出生地中形成
定年
- 史坦诺定律
- 地层重叠法则：若不考虑底层扰动，上面的地层相对年轻
- 原始水平法则：形成的层在一个水平线上
- 可以用化石比较不同地层的相对年龄（地层柱状图）
- 放射性衰变基本定律：单位时间内衰变概率固定
- 半衰期乘以衰变常数=ln2
- 同位素定年的必要条件
- 封闭体系
- 衰变速率恒定
- 子体初始含量已知，最好是0
- 或者母体初始含量已知
- 等时线定年
- 等时线方程的截距是子体初始值
- 斜率正相关于年龄（
） - 横坐标是母体同位素，纵坐标是子体同位素
- 月球年龄和地球差不多
- 短寿命核素定年
- 横坐标是27Al和24Mg比值
- 纵坐标是26Mg和24Mg比值
- 截距是26Mg和24Mg的初始比值
- 斜率是26Al和27Al的初始比值
- 利用短寿命核素定年得到的是相对年龄
地球的内部结构
- 地球的圈层结构
- 地壳：固相
- 上地幔：固相
- 下地幔：固相
- 外核：液相、气相
- 内核：固相
- 地核半径是地球半径的一半，是铁核
- 地震波
- P波，纵波，地壳、地幔、地核速度依次更快
- S波，横波，振动方向和传播方向垂直，无法在外核传播，比p波慢，内核、地壳、地幔速度依次更快
- 不连续面
- 莫霍不连续面：地壳和地幔
- 古登堡不连续面：地幔和地核
- 莱曼不连续面：外核和内核
- 亲铁和亲铜元素主要在地核中
- 亲石元素主要在地幔和地壳中
- 亲岩浆元素主要在大陆地壳中
- 球粒陨石的证据均匀吸积表明核在吸积后形成
- 地核的形成是金属和硅酸盐的分离（不混溶）
- 是行星分异的正常过程
- 导致了地球上亲铁元素和亲石元素的基本分离
- 地核形成的时间
- Hf-W体系，前者亲石，后者亲铁
- 地核形成于地球形成后30 Ma内
- 地壳的形成
- 部分熔融导致硅酸盐物质不断分离
- 大陆地壳早期形成，花岗质岩浆（65%-70% SiO2）和演化沉积物组成，经历多次熔融，可能还有拆沉作用
- 大洋地壳年轻（小于150 Ma），玄武质岩浆（50% SiO2），由地幔减压熔融产生
- 大气圈的形成
- 猜测一：晚期富挥发分的彗星的加入，错误
- 猜测二：地球内部的去气作用，正确
- 形成于地球形成后30 Ma内
- 亲岩浆元素在地壳中聚集
地球的邻居
- 造成陨石坑的撞击体的来源
- 小行星带
- 来自柯依波带的彗星
- 来自奥尔特云的彗星
- 月球撞击坑是陨石而不是火山
- 撞击密度大的区域更老
- 撞击坑约是撞击体的直径的20倍
- 月球相对于行星的质量是很大的
- 月球贫铁、贫挥发份，月球很古老，只比太阳系晚60-125Ma
- 月球形成模型
- 捕获说：无法解释O、Si同位素比值的相似性，且月球质量很大
- 共生说：不能解释密度差异大，月球贫铁
- 裂解说：不能解释地月系统的角动量
- 大撞击理论：很好的解释贫铁、贫挥发；可以解释和地球物质的相似
- 现在认为是大撞击和月球吸积下形成
- 斜长岩：钙长石矿物组成的岩石
- 月球的高地斜长岩非常古老，月海玄武岩年轻得多且亏Eu（月幔亏Eu）
- 月球岩浆洋形成理论
- 地球早期可能像月球一样形成岩浆洋
- 热量源地球大，包括撞击、衰变、地核形成
- 热损耗地球小，看表面积比体积
- 地球压力比月球大
- 地球没有形成斜长石地壳的主要原因是因为斜长石的稳定压力低
宜居性
- 地球的宜居性
- 液态水
- 温度调控
- 磁场的保护
- 液态水
- 岩石证据显示38亿年前就有液态水
- 锆石年龄可达到44亿年（同位素定年），16O比18O更容易蒸发
- 古老的沉积物中有O同位素的变化，是水循环的结果
- 锆石的钛含量说明其形成于750℃的环境（酸性岩浆环境）
- 核幔壳幔分异过程中挥发分集中在表面、水不流失到外太空这是两个形成丰富地表水的关键
- 水陷阱保护了地球的水
- 磁场保护了大气层
- 恒星表面的温度受控于
- 恒星光度
- 行星恒星距离
- 行星表明反射率
- 温室效应（CO2、H20、CH4）
- 金星的温室效应很强（C02）
- 温室效应的能力，CH4比CO2高得多，但是CO2比CH4多得多，所以地球最重要的温室气体是CO2
- 地球的早期温室气体是CH4，现在是CO2
- 火山气体是CO2的稳定来源
- 岩石的风化反应降低了大气中C02的浓度
- 大气C02含量增加使得：大气温度升高、水蒸气含量增加、酸雨增多，从而风化加强，海洋中Ca离子输入量增加，CaCO3沉淀增加，大气C02浓度降低
- 大气C02含量降低使得：大气温度降低、水蒸气含量减少、酸雨减少，从而风化减弱，海洋中Ca离子输入量减少，CaCO3沉淀减少，大气C02浓度增加
板块构造
- 魏格纳提出大陆漂移说
- 解释了很多现象，如中龙化石不同洲相同、非洲区域看到冰川运动遗迹等
- 大陆地壳（刚性）如何在大洋地壳（刚性）和地幔（刚性）之间进行移动，动力在哪来
- 海底扩张
- 大西洋中有很大的洋中脊的隆起
- 洋中脊两侧出现对称的正反磁异常条带
- 离洋中脊越远，沉积物越厚，底部的沉积物越老
- 洋壳年龄不超过200Ma，因为老的洋壳消失于俯冲带，进入了地幔
- 俯冲带、洋中脊有地震活动
- 转换断层：洋中脊之间连接的地方，和走滑断层有区别
- 板块
- 指的是岩石圈，岩石圈下面的部分地幔是软流层
- 板块不是地壳，岩石圈在软流层上移动
- 一组朝同一个方向移动的岩石。可以同时有大洋和大陆，也可以只有一种
- 板块构造理论
- 地球表层由一系列板块组成
- 洋壳形成在大洋中脊，岩浆作用形成了洋壳
- 洋壳消失在汇聚板块边缘，通过俯冲回到地幔
- 大陆不发生俯冲
- 大部分板块构造活动都是在海洋中发生的
- 三种板块边界
- 转换边界，如转换断层
- 离散边界，如洋中脊
- 会聚边界，包括大洋-大洋（日本）、大洋-大陆（安第斯山脉）、大陆-大陆（喜马拉雅山脉）。前两者是俯冲，第二个会形成大陆弧，最后一个是大陆变形。
- 一些板块实例：亚欧板块、太平洋板块、非洲板块、南美洲板块、北美洲板块、南极洲板块等
地幔对流
- 地幔虽然是固态，但可以流动
- 岩石在高压高温时缓慢施加应力可以流动
- 固体的变形
- 弹性形变：可逆
- 断裂：不可逆
- 塑性变形：不可逆
- 地幔流动的证据：
- 陆壳和洋壳均衡补偿（陆壳密度比洋壳小，引起高程变化）
- 冰川溶解后地壳均衡回弹
- 地幔对流
- 瑞利数指示对流是否会发生（大于2000）
- 粘度和热传导系数小有利于对流发生
- 上升流由地幔柱代表，下降流与俯冲带相关
- 上地幔存在温差的证据
- 洋壳成分和洋中脊深度相关
- 浅的洋中脊由热的地幔形成，洋壳厚
- 深的洋中脊远离热点，显示出较冷的地幔区域
地球化学循环
- 洋中脊
- 3He来自洋中脊玄武岩岩浆
- 洋中脊的热液循环对维持海水化学组成很重要
- 热液作用使得大洋地壳形成富挥发分的矿物：绿泥石、角闪石、蛇纹石，都有羟基，富水
- 洋中脊的热量给生物提供了能量
- 洋中脊把水分和其他成分输送到俯冲带，使得火山活动和大陆生长能够进行
- 洋中脊在水碳循环中起重要作用，保证了地球气候长期稳定
- 洋中脊可能在地球生命起源起了重要作用，为宇宙其他天体生命存在提供启示
- 快速扩张的洋中脊可形成火山，慢速扩张的洋中脊可形成深谷
- 洋中脊火山岩浆占全球的80%
- 海水与岩浆发生作用形成黑烟囱，温度可达400℃（因为海底高压）
- 海水的3He来自于地幔
- 热液的Fe、Mn、Li含量高
- 俯冲带
- 海洋沉积物、洋壳（玄武质）、上地幔（橄榄岩）水分依次减少
- 汇聚型板块边缘岩浆富水的证据有：矿物的熔融包裹体含有大于5%的水、汇聚型板块边缘可形成富硅岩浆、汇聚型板块边缘多爆发式火山喷发
- 汇聚板块边缘喷发的岩浆中有10Be说明沉积物俯冲进入地幔
- 俯冲再循环物质不能有效地均一化到地幔中
- 重点
- 板块构造是地球化学循环的一种方式
- 洋中脊是海水和洋壳的化学反应器：海水通过洋中脊保持反应平衡、洋壳称为挥发分载体、
- 挥发分向俯冲带迁移导致火山爆发和陆壳的构建
生命起源和改造
- 38亿年前的岩石发现了生物标志物不代表38亿年前就有生命
- 30亿年前有生命，最古老的也许在35亿年前
- 水的形成（44亿年前）和生命的诞生有很长的间隔，10亿年。
- 生命对地表的改造是以一系列能源革命为标志的
- 第一次能源革命：做自己的食物，自养微生物，不需要自由氧
- 第二次能源革命：有氧光合作用
- 第三次能源革命：有氧呼吸
- 第四次能源革命：多细胞
- 大气从无氧到有氧的证据：硫的四个同位素非质量分流在深紫外线照射下明显，当氧气含量很高时，大气将阻挡紫外透射，光化学反应不产生非质量分馏，从而可以推测大气中氧含量
- 新生代：哺乳动物时代
- 中生代：爬行动物时代
- 古生代：两栖动物、鱼类、无脊椎动物时代
- 鱼类时代开始形成煤和石油
- 最早的化石从古生代开始
- 温室效应使得海水酸化
- 减少二氧化碳浓度的方法
- 减排
- 捕获大气中的CO2，需要大量代价
- 大气中的
越来越小和全球排放有关
