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【知识总结】 地球的故事复习笔记

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$E=hf$,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:$v=HL$
    • 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、$\beta$衰变把中子转化为质子和电子、$\alpha$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:$E=mc^2$
  • 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($[Fe,Mg]_2SiO_4$)
    • 单链硅酸盐:辉石($[Ca,Mg,Fe^{+2}]_2SiO_4$)
    • 双链硅酸盐:角闪石(有$Si_4O_{11}$)
    • 层状硅酸盐:云母(有$Si_2O_5$)
    • 架状硅酸盐:长石($KAlSi_3O_8$)、石英($SiO_2$)
  • 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($e^{\lambda\ t}-1$)
    • 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$\delta^{13} C$越来越小和全球排放有关