第1章 宇宙大爆炸与元素的形成 1.1 宇宙大爆炸 ............................................................... 2 1.1.1 宇宙大爆炸假说 ............................................. 2 1.1.2 宇宙年龄 ..................................................... 12 1.1.3 超新星爆发与恒星演化 ................................ 16 1.2 元素的形成 ............................................................. 34 1.2.1 元素的核合成 .............................................. 34 1.2.2 元素丰度的奇偶数效应 ................................ 48 第 2 章 太阳系形成:分子云(星云)坍缩假说 2.1 太阳系原始星云盘的形成 ........................................ 59 2.2 太阳系早期元素的冷凝(元素挥发性) ................... 632.3 行星盘化学分异 ...................................................... 67 2.3.1 太阳系元素分布规律 .................................... 68 2.3.2 太阳系元素分布特点 .................................... 70 2.4 陨石 ........................................................................ 73 2.4.1 陨石的发现历史 ........................................... 73 2.4.2 陨石的研究意义 ........................................... 74 2.4.3 陨石的分类 .................................................. 75 2.4.4 球粒陨石 ...................................................... 76 2.4.5 原始无球粒陨石 ........................................... 80 2.4.6 无球粒陨石 .................................................. 80 2.5 太阳系 / 地球的年龄 ................................................ 84 2.5.1 关于地球年龄的争论 .................................... 84 2.5.2 放射性元素衰变定年法 ................................. 86 2.5.3 陨石确定地球“零点” ................................. 87 2.5.4 克莱尔 ? 卡梅伦 ? 帕特森 ——发现地球年龄的人 ........................................89 第 3 章 吸积过程与行星形成 3.1 基本概念 ................................................................. 92 3.1.1 星子 ............................................................. 92 3.1.2 行星胚胎 ...................................................... 97 3.1.3 类地行星、类木行星、小行星带 ................. 102 3.2 行星形成假说 .........................................................118 3.2.1 NICE 模型 ...................................................118 3.2.2 类地行星的形成 ..........................................119 3.2.3 气态行星的形成 ......................................... 121 3.3 地球形成与后增薄层假说 ...................................... 124 3.3.1 后增薄层假说的主要内容 ........................... 124 3.3.2 后增薄层假说的证据 .................................. 125 参考文献.......................................................................... 132
丛书序言地球科学(含行星科学,即地球与行星科学)是研究人类居住的家园——地球的科学,是研究地球物质组成、运动规律和起源演化的一门基础学科,与数学、物理、化学、生物、天文构成了自然科学中的六大基础学科,同时又紧密依靠数学、物理、化学、生物等学科基本原理和方法来认识地球的过去、现在和未来,因此它又是一门交叉学科。地球科学与人类的繁衍生存息息相关。人类社会发展所依赖的能源和矿产资源的探寻,依赖于地球科学对于物质运移和富集规律的研究;解决人类所面临的各种环境问题、气候问题、自然灾害,也需要从地球的运行规律入手来建立科学的防治方案。进入 21 世纪的今天,人类社会发展与自然环境的矛盾愈发显著,成为科学界与社会共同关注的焦点。应对气候变化和全球治理,不仅是地球科学家需要关注和解决的科学问题,也成为国家间政治博弈和国力角逐的关键点。我国“双碳”目标的提出,体现了我们作为一个负责任大国的担当,这也为当代地球科学家提出了新要求,他们必须从地球自然碳循环(板块运动、火山爆发、海气作用等)和人为碳循环的耦合作用机理入手,建立更加准确的预测模型,以支撑“双碳”目标的实现和国际合作与博弈。对于深海和深地的探索,不光开拓了人类的未知知识领域,也成为解决人类能源资源与矿产资源问题的一个新的增长点。深空探测则将我们的眼光从地球拓展到广袤的宇宙起源与太阳系形成2宇宙,特别是对于太阳系行星的探测、对地外资源的探测以及寻找并构建第二颗适合人类居住的行星,成为我们深空探测的核心和未来任务。总而言之,地球科学对于人类未来的发展具有重要的意义,因而,对于地球科学人才的培养也是未来发展的重要保障。从另一个角度来说,提高全民的科学素养是实现中华民族伟大复兴的人才基础;只有全民的科学素养提高了,中华民族才能屹立于世界民族之林。而地球科学则是进行全面科学素养培养的一个重要平台。地球科学提供了诸多人们熟识但又陌生的自然现象,很容易引起人们的兴趣和关注;引导学生主动利用数学、物理、化学、生物等学科基础对这些自然现象进行解释,进而培养学生正确运用科学知识认知世界的能力,这是对现有人才培养过程的有利补充。中华民族的复兴和未来国家战略计划的开展亟须具备大量科学思维的年轻人,虽然只有很少的一部分最后从事地球与行星科学方面的研究和工作,但地球科学可以提供提高科学素养的土壤。培养国家未来之地球科学拔尖人才则需要从中学(甚至小学)开始进行地球科学的启蒙和素质培养。地球科学涵盖范围极广,其中包含了 7 个一级学科(地理学、地质学、地球化学、地球物理学、海洋科学、大气科学、环境科学)。一方面,由于学科发展的历史原因,各学科间尚未形成有效的交叉,这一现象严重阻碍了学科的拓展和人才的培养;另一方面,地球科学与其他基础学科(数学、物理、化学、生物)的结合还有待于进一步加强。基于上述问题,我们组织编写了这套面向中学生的地球科学科普丛书。基于对未来学科发展的预判,服务于国家重大战略需求以及在全民科学素养提升中应起到的作用,本套丛书对地球科学的学科进行整合,围绕地球系统科学、地球圈层与相互作用这一核心,尽可能将现有的学科按照科学问题进行整合,知识体系将不再按照原有的学科体系排布,计划编纂成 14 册,包括:①《宇宙起源与太阳系形成》;②《地月系统起源与地球圈层分异》;③《地球物质基础》;④《大气圈》;⑤《水圈》;⑥《生物圈》;⑦《地球表面过程》;⑧《生物地球化学循环》;⑨《地球气候与全球变化》;⑩《资源与碳中和》; 《自然灾害与环境污染》; 《行星科学》; 《行星宜居性演化》; 《地球与行星探测技术》。丛书的科学逻辑从宇宙、太阳系、地球起源和圈层分异开始(第一、二册),然后依次介绍地球的各个圈层(第三至六册)和圈层间的相互作用(第七至九册),在此基础上重点关注了资源能源问题(第十册)、灾害与环境问题(第十一册)、地外行星的行星科学(第十二册),再从时间轴的角度介绍了宜居行星的演化历史(第十三册),最后将科学、技术、工程结合介绍地球与行星的探测技术(第十四册)。作为一套面向中学生的科普读物,本套丛书重点关注地球科学的科学逻辑和知识体系的连贯,同时尽量做到内容扁平化,旨在培养学生的地球系统观和帮助学生建立较为完整的地球科学知识体系。为了引导学生主动利用“数理化生”基本原理来认识自然现象和理解地球科学的关键科学问题,我们将普遍建立地球科学与其他基础学科的连接,并对一些典型的例子进行深度剖析和数值解译,进而建立与更高层次(大学生)人才培养的衔接。本套丛书由北京大学地球与空间科学学院牵头,中国地震学会深度参与,组织了来自全国 30 多所高校和科研院所的近百位专家学者构成丛书编委会。丛书编委会通过认真研讨,将地球科学的各个不同分支进行了学科整合和知识框架的整理,并编写了深入细化的科学提纲;在此基础上,委托 10 余所中学的教师组织编写团队,编写团队依照提纲进行内容的具体编写,各中学编写团队由涵盖物理、化学、生物、地理方向的至少 5 位老师组成,以期实现跨学科交叉;来自北京大学的博士研究生助理负责编写过程中科学问题的解疑和初稿的审定及修改;丛书编委会专家对书稿进行最终审定、修改并定稿。希望本套丛书的出版能够对提高全民的科学素养有所裨益,成为爱好地球科学大众的入门读物,更期待有更多的地球科学爱好者学习地球科学知识,认识地球演化规律,共同保护地球——人类赖以生存的共同家园!中国科学院院士俄罗斯科学院外籍院士北京大学地球与空间科学学院博雅讲席教授 2024 年 7 月 5 日于北京大学朗润园
本套丛书重点关注地球科学的科学逻辑和知识体系的连贯,同时尽量做到内容扁平化,旨在培养学生的地球系统观和帮助学生建立较为完整的地球科学知识体系。为了引导学生主动利用数理化生基本原理来认识自然现象和理解地球科学的关键科学问题,将普遍建立地球科学与其他基础学科的连接,通过box形式将一些关键问题进行剖析,并建立更高层次(面对大学生)的科学引导。
孙睿 ---------------------------- 孙睿,青岛九中、三十七中校长,齐鲁名校长,正高级教师。山东省优秀教育工作者、青岛市劳动模范、市拔尖人才、市政府特殊津贴专家。著有《新人文教育的“一千零一夜”》《红色贵州,砥砺前行》《我的教育故事》等书作。
本套书是北京大学地空学院和中国地震学会联合组织编写的科普丛书。本书详细介绍了地球起源与演化、太阳系化学元素合成与行星形成过程。自古以来,人类就对浩瀚的星空充满了好奇,宇宙如何诞生?星辰如何出现?银河系和地球为什么是现在这样?思考这些问题的同时,人类重新认识了自己在宇宙中的位置,也重新认识了文明的意义。本书以专业详实的语言、举重若轻的风格,向读者介绍宇宙星辰的奥秘。以宇宙的时间初始为起点,从大爆炸到元素的诞生,再到行星与月球的形成,本书串联了140亿年演进的关键知识,将一部精彩而宏大的宇宙史娓娓道来。本书适合作为中学生科学素质教育普及读物。